摘要:在以水為連續(xù)相的流體里注入少量空氣,空氣為離散相,研究了渦街流量計(jì)在這種兩相流條件下的測量特性。試驗(yàn)在直徑為50mm的水平管道中進(jìn)行,水的流量為6~12m'/h,注入的氣體體積含氣率為3%~15%。渦街流量計(jì)同時(shí)用譜分析以及脈沖計(jì)數(shù)對(duì)水流量進(jìn)行測量,并且對(duì)兩種不同測量方式進(jìn)行了比較。通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理,分析了不同的含氣率對(duì)渦街流量計(jì)測量誤差的影響。
當(dāng)流體流過阻擋體時(shí)會(huì)在阻擋體的兩側(cè)交替產(chǎn)生旋渦,這種現(xiàn)象稱為卡門渦街。20世紀(jì)60年代日本橫河公司首先利用卡門渦街現(xiàn)象研制出渦街流量計(jì),此后渦街流量計(jì)由于其諸多優(yōu)點(diǎn)得以在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
在單相流體介質(zhì)條件下對(duì)渦街流量計(jì)的研究相對(duì)比較成熟，研究者通過試驗(yàn)的方法得到了大量有價(jià)值的試驗(yàn)結(jié)果，并應(yīng)用到渦街流量計(jì)的開發(fā)中,使得渦街流量計(jì)的測量精度、可靠性得到了很大的提高[2,3]。工業(yè)測量中經(jīng)常會(huì)有這樣的情況出現(xiàn):液體管道中有時(shí)會(huì)混入少量的氣體,被測流質(zhì)變成了氣液兩相流。由于氣液兩相流的復(fù)雜性,研究這種條件下渦街流量計(jì)測量特性的文章不多。本文通過試驗(yàn)從測量的角度,研究了水平管道中含有少量氣體的液體條件下渦街流量計(jì)測量結(jié)果的變化情況，并且測量結(jié)果分別用譜分析和脈沖計(jì)數(shù)兩種測量方式得到,通過比較發(fā)現(xiàn)在液含氣流體條件下譜分析要明顯優(yōu)于脈沖計(jì)數(shù)的方式。
試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法.
11試驗(yàn)裝置
試驗(yàn)介質(zhì)由已測定流量的水和空氣組成,分別送入管道混和成氣液兩相流送入試驗(yàn)管段。試驗(yàn)裝置如圖1所示。試驗(yàn)裝置由空氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣罐、蓄水罐、分離罐、流量計(jì)、壓力變送器、溫度變送器、工控機(jī)和各種閥門組成。
空氣壓縮機(jī)將空氣壓縮后送入儲(chǔ)氣罐,標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)計(jì)量氣液混合前儲(chǔ)氣罐送入管道的氣體流量。蓄水罐距離地面30m,提供試驗(yàn)所需的液相,其流量由標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)2測得。液相和氣相經(jīng)混和器混和后送入試驗(yàn)管段,最后流入分離罐將水和空氣進(jìn)行分離,，空氣由放氣閥排出,水由水泵送回蓄水罐循環(huán)使用。工控機(jī)對(duì)所有儀表數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和顯示并對(duì)兩個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制,調(diào)節(jié)氣相和液相的流量。
試驗(yàn)所用的渦街流量計(jì)選擇了一臺(tái)應(yīng)用最多的壓電式渦街流量傳感器,其口徑的直徑D=50mm。將渦街傳感器放置在水平直管段上,其上下游直管段長度分別為30D和20D。壓力變送器和溫度變送器分別放在渦街流量傳感器上游ID和下游10D的位置,混和器安裝在渦街流量計(jì).上游30D的位置。
12試驗(yàn)方法
通過流量計(jì)2的測量和調(diào)節(jié)電動(dòng)閥2,水的流量取6.8、10、12m3/h四個(gè)流量值。通過電動(dòng)閥1控制,流量計(jì)1顯示空氣注入量的范.圍為0.3~1.8m'/h,其壓力范圍為0.4~0.5MPa。
目前工業(yè)中應(yīng)用的渦街流量計(jì)大部分是脈沖輸出,即將旋渦信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào),通過對(duì)脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)計(jì)算出旋渦脫落的頻率。脈沖輸出的渦街流量計(jì)主要的缺點(diǎn)是易受噪聲干擾，對(duì)于小流量來說由于信號(hào)微弱難以與噪聲區(qū)別。近幾年隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了以DSP為核心,具有譜分析功能的渦街流量計(jì),這種方法提高了對(duì)微弱渦街頻率信號(hào)的識(shí)別[17-8]�？紤]到這兩種不同類型渦街流量計(jì)在工業(yè)現(xiàn)場使用,試驗(yàn)中同時(shí)用譜分析方法和脈沖計(jì)數(shù)方法對(duì)渦街頻率進(jìn)行計(jì)算,并對(duì)兩種方法進(jìn)行了比較。
渦街流量計(jì)的轉(zhuǎn)換電路流程圖如圖2所示。以5000H的頻率對(duì)A點(diǎn)的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，每次采樣10組數(shù)據(jù),每組數(shù)據(jù)有5x10*個(gè)采樣點(diǎn),將得到的采樣點(diǎn)進(jìn)行傅里葉變換得到不同測.量點(diǎn)渦街產(chǎn)生的頻率,同時(shí)通過脈沖計(jì)數(shù)的方法對(duì)B點(diǎn)采樣。
2渦街流量計(jì)的標(biāo)定
將渦街流量計(jì)在標(biāo)準(zhǔn)水裝置上,分別用頻譜分析和脈沖計(jì)數(shù)的方法進(jìn)行標(biāo)定,流體介質(zhì)為水未加氣體，采用的標(biāo)準(zhǔn)傳感器為精度等級(jí)為Q.2級(jí)的電磁流量計(jì)。在每個(gè)流量測量點(diǎn)上的儀表系數(shù)用公式(1)計(jì)算,然后用式(2)計(jì)算得到最終儀表系數(shù)K。Q.為被測水的流量值,f為每一-個(gè)流量點(diǎn)得到的頻率,k為每個(gè)測量點(diǎn)得到的儀表系數(shù)。mx、后分別為試驗(yàn)流量范圍內(nèi)得到的最大與最小的儀表系數(shù)。儀表系數(shù)的線性度E用式(3)來計(jì)算。.
譜分析和脈沖計(jì)數(shù)兩種不同方法計(jì)算出的渦街流量計(jì)儀表系數(shù)分別為:K,=10107p/m';K=10143p/m;計(jì)算得到的儀表系數(shù)線性度分別為:12%和15%。圖3為儀表系數(shù)隨水流量值變化的曲線,可以看出,在試驗(yàn)所選流量范圍內(nèi),儀表系數(shù)近似于-一個(gè)常數(shù),頻譜分析的結(jié)果與脈沖計(jì)數(shù)所得到的試驗(yàn)結(jié)果差別不大，之間的誤差范圍為0.109%~0.688%�？梢姳粶y介質(zhì)全部為水時(shí)兩種測量方法并沒有明顯的區(qū)別。
3渦街信號(hào)分析.
試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),氣相的加入對(duì)渦街流量計(jì)測量的影響顯著,譜分析和脈沖計(jì)數(shù)兩種方法隨著氣相注入的增加其表現(xiàn)也不同。圖4反映了水流量12m'/h時(shí),注入不同氣含率β時(shí)A點(diǎn)的模擬信號(hào),如圖4(a~c)所示;經(jīng)譜分析后得到的頻率值,如圖4(d~0所示;用脈沖計(jì)數(shù)方法得到的脈沖信號(hào)，如圖4(g~i)所示。圖4顯示,當(dāng)注入氣量不大時(shí),對(duì)渦街流量計(jì)的影響不大,無論是譜分析結(jié)果還是脈沖計(jì)數(shù)得到的結(jié)果都比較好。當(dāng)注入的氣量進(jìn)--步增加時(shí),渦街原始信號(hào)強(qiáng)度和穩(wěn)定性逐漸變差,渦街頻率信號(hào)會(huì)被干擾信號(hào)所淹沒,反映到譜分析圖是,渦街頻率的譜能量減小,干擾信號(hào)的譜能量加強(qiáng);對(duì)于脈沖信號(hào),會(huì)因?yàn)橐?些旋渦信號(hào)減弱,形成脈沖缺失現(xiàn)象,而不能真實(shí)地反映渦街產(chǎn)生的頻率。
表1反映了不同流量點(diǎn)Q1下,隨著注氣量Qg的增加,渦街發(fā)生頻率fs和fc的變化情況。結(jié)果顯示,對(duì)于不同的水流量,當(dāng)注入的氣體流量增加到一定范圍時(shí),不能再檢測到渦街信號(hào);在一-定水流量下,隨著注氣量的增加譜分析得到的頻率值會(huì)變大,，這是由于總的體積流量增加了,而脈沖計(jì)數(shù)法則由于產(chǎn)生脈沖缺失現(xiàn)象所得到的頻率值減小。因此在氣液兩相流下,譜分析比脈沖計(jì)數(shù)法有優(yōu)勢,它能在較高的含氣量依然能檢測到旋渦脫落的頻率。
4渦街流量計(jì)的誤差分析
將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到了渦街流量計(jì)測量誤差隨氣相含率變化的情況,如圖5所示。其中δ。為譜分析方法的測量誤差δc為脈沖計(jì)數(shù)方法的測量誤差。渦街流量計(jì)的測量誤差用式(4)來計(jì)算。其中Qs為裝置中標(biāo)準(zhǔn)表測量出的管道總流量,Qt為試驗(yàn)管段中渦街流量計(jì)的測量值。將譜分析和脈沖計(jì)數(shù)得到的頻率值和儀表系數(shù)分別代入式(5)計(jì)算Qt值。從圖中可以看出氣相含率的增加兩種測量方法得到的誤差并不相同。當(dāng)含氣率不高時(shí),0<β<6%,譜分析法的平均誤.差為1.226%,最大誤差為2687%,脈沖計(jì)數(shù)法的平均誤差為1.583%,最大誤差為2898%,因此譜分析法與脈沖計(jì)數(shù)法的測量誤差區(qū)別不大,譜分析沒有明顯的優(yōu)勢;在氣相含率進(jìn)一步增加時(shí),6%<β<14%,譜分析法的平均誤差為3.975%,最大誤差為14.058%，脈沖計(jì)數(shù)法的平均誤差為20.053%,最大誤差為33.130%,脈沖計(jì)數(shù)的方法得到的測量誤差遠(yuǎn)大于譜分析方法。
含氣液體測量誤差產(chǎn)生的主要原因是:在氣液兩相流動(dòng)中,由于氣泡對(duì)旋渦發(fā)生體的撞擊作用,氣泡對(duì)邊界層和旋渦脫落的影響,以及旋渦吸入氣泡使其強(qiáng)度減弱,使旋渦脈沖數(shù)缺失,缺失的旋渦數(shù)不穩(wěn)定,使脈沖計(jì)數(shù)方法測量的誤差增大，而譜分析的方法在一-段時(shí)域內(nèi)得到主頻譜作為渦街頻率值,減小了旋渦缺失對(duì)測量的影響。所以含氣液體流體計(jì)量中譜分析方法要好于脈沖計(jì)數(shù)的方法。
5結(jié)束語
從試驗(yàn)結(jié)果來看,渦街流量計(jì)在測量混有少量氣體的液體流量時(shí),測量誤差會(huì)顯著增加。之所以會(huì)出現(xiàn)這樣的情況，一方面，氣體在液體中會(huì):形成氣泡,在旋渦發(fā)生體的后部形成氣團(tuán),并且旋渦中心會(huì)出現(xiàn)一個(gè)低壓區(qū),吸入大量質(zhì)量較輕的氣泡,從而削弱了旋渦的能量,使壓電傳感器檢測不到旋渦,導(dǎo)致檢測過程中脈沖缺失現(xiàn)象出現(xiàn);另一方面,由于旋渦的能量降低,會(huì)增加流場本身對(duì)旋渦脫落的擾動(dòng),進(jìn)一步增加了測量的誤差。其它方面,旋渦發(fā)生體后的氣團(tuán),旋渦中心區(qū)氣泡的含量、旋渦外的氣泡量、氣泡的大小等等都會(huì)影響測量的結(jié)果。
通過上述的試驗(yàn)結(jié)果及分析表明,單相液體中混入少量的氣體時(shí)會(huì)導(dǎo)致渦街旋渦強(qiáng)度變?nèi)鹾涂煽啃宰儾?在這種條件下測量時(shí)譜分析的方法:在氣含率不大時(shí)(0<β<6%)與脈沖計(jì)數(shù)的方法差別不大,但隨著氣含率的進(jìn)一步增加(6%<β<14%),譜分析的方法要好于脈沖計(jì)數(shù)的方法。
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