當流體流(liu)過阻擋體時會在(zai)阻擋體的兩側交(jiao)替産💜生旋渦,這🧡種(zhǒng)現象稱爲卡門渦(wo)街。20世紀60年代日本(ben)橫河公司首先利(lì)用卡門渦街現象(xiang)研制出渦街流量(liàng)✏️計,此後渦街流量(liang)計由🛀🏻于其諸多優(yōu)點得以在工業領(lǐng)域廣泛應用[1]。
在單(dan)相流體介質條件(jian)下對渦街流量計(jì)的研究相對比🐪較(jiao)成熟,研究者通過(guo)試驗的方法得到(dao)了大量有價值的(de)試驗結果,并應用(yòng)到渦街流量計的(de)開發中,使得渦街(jie)流量計的測量精(jing)度、可靠性得到了(le)很大的提高[2,3]。工業(ye)測量中經常會有(you)這樣的情況出現(xiàn)💃:液體管道中有時(shi)會混入少量的氣(qi)體,被測流質變成(chéng)了氣液兩相流。由(you)于氣液兩相流的(de)複雜性,研究這種(zhong)條件⭐下渦街流量(liang)計測量特性的文(wén)章不多。西安交通(tōng)大學的李永光[4-6]曾(ceng)經在氣液兩相流(liu)的豎直管道上,對(dui)不同形狀的渦街(jiē)發生體進行了研(yán)✍️究,對不同截面含(han)氣率下渦街的結(jié)構以及斯特勞哈(ha)爾💃🏻數的變化進行(háng)了大量的試驗研(yan)究,并給出了斯特(te)勞哈爾數随截面(mian)含氣率而變化🚶♀️的(de)公式。李永光的工(gōng)作主要是從流體(tǐ)力學的角度對氣(qì)液兩相流中渦街(jiē)現象的機理進行(hang)了研究,其給出的(de)試驗結果涉及到(dao)截面含氣率的測(ce)量[4]。本文通過試驗(yàn)從測量♻️的角度,研(yán)究了水平管道中(zhōng)含有少量氣體的(de)液體條件下渦街(jie)流量計測量結果(guǒ)❓的變化情況☎️,并且(qiě)測量結果分别用(yòng)譜分析和脈沖計(jì)數💰兩種測量方式(shi)得到,通過比較發(fā)現在液含氣流體(tǐ)條件下譜分析要(yao)明顯優于脈沖計(jì)數的方式。
1 試驗裝(zhuāng)置與試驗方法
1.1 試(shì)驗裝置
試驗介質(zhi)由已測定流量的(de)水和空氣組成,分(fen)别送入管道混和(he)成氣液兩相流送(song)入試驗管段。試驗(yan)裝🔞置如圖1所🔞示。試(shì)驗裝👣置由空氣壓(yā)縮機、儲氣罐、蓄水(shuǐ)罐、分離罐、流量計(ji)、壓力✂️變送器、溫度(du)變送器、工控機和(he)各種閥門組成。
空(kōng)氣壓縮機将空氣(qi)壓縮後送入儲氣(qi)罐,标準流量🔅計1計(ji)✍️量氣液混合前儲(chu)氣罐送入管道的(de)氣體流量。蓄水罐(guàn)距‼️離地☁️面30m,提供試(shì)驗所需的液相,其(qí)流量由标準流量(liang)計2測得。液相和氣(qì)相經混和器混和(he)後送入試驗管段(duàn),zui後流入分離罐将(jiāng)水和空氣進行分(fèn)離,空氣由放氣閥(fá)排出,水由水泵送(song)回蓄水罐循環使(shǐ)用。工控機對所有(you)儀表數據進行采(cǎi)集和顯示并對✂️兩(liang)個電動調節閥進(jin)行控制,調節氣相(xiàng)和液相的流量。
試(shì)驗所用的渦街流(liu)量計選擇了一台(tai)應用zui多的壓電式(shi)渦街流♊量傳感器(qì),其口徑的直徑D=50mm。将(jiāng)渦街傳感🍉器放置(zhì)在水平直管段上(shàng),其上下遊直管段(duàn)長度分别爲30D和20D。壓(ya)力變送器和溫度(du)變送器分别放在(zài)渦街流量傳感🏃🏻♂️器(qi)上遊1D和下遊10D的位(wèi)🏃♀️置,混和器安裝在(zài)渦㊙️街流量計上💃遊(you)30D的位置。
圖(tu)1 氣液兩相流試驗(yàn)裝置
1.2 試驗方法
通(tong)過流量計2的測量(liang)和調節電動閥2,水(shuǐ)的流量取6、8、10、12m3
/h四個流(liú)量值。通過電動閥(fa)1控制,流量計1顯示(shi)空氣注入量的範(fan)圍📞爲0.3~1.8m3
/h,其壓力範圍(wei)爲0.4~0.5MPa。
目前工業中應(ying)用的渦街流量計(ji)大部分是脈沖輸(shu)出,即将旋渦信号(hao)轉化爲脈沖信号(hào),通過對脈沖信号(hao)計🔅數計算出旋渦(wō)🌈脫落的頻率。脈沖(chong)輸出的渦街流量(liang)計主要的缺點是(shì)易受噪💋聲幹擾,對(duì)于小流量來說由(yóu)于信号微弱難以(yǐ)與噪聲區别。近幾(jǐ)年随着數字信号(hao)處理技術的發展(zhan),出現了以🔞DSP爲核心(xīn),具有🔞譜分析功能(néng)的渦街流量計,這(zhe)種方法提高了對(dui)微弱渦街頻率信(xin)号的識别[7-8]。考慮到(dao)這兩種不同類型(xing)渦🈲街流量計在工(gōng)業現場使用,試驗(yàn)中🌂同時用譜分析(xī)方法和脈沖計數(shù)方法對渦街頻率(lǜ)進行計算,并❓對兩(liang)種方法進行‼️了比(bǐ)較。
渦街流量計的(de)轉換電路流程圖(tú)如圖2所示。以5000Hz的頻(pín)率對📐A點🏃🏻♂️的模拟信(xìn)号進行采樣,每次(ci)采樣10組數據,每🌈組(zu)數據有5×104
個采樣點(diǎn),将得到的采樣點(dian)進行傅裏葉變換(huàn)得到不同🈲測量✊點(dian)渦街産生的頻率(lǜ),同時通過脈沖計(jì)數的方🐅法對B點采(cai)樣。
圖2 渦街(jiē)流量計電路框圖(tu)
2 渦街流量計的标(biāo)定
将渦街流量計(jì)在标準水裝置上(shàng),分别用頻譜分析(xi)和脈沖計數的方(fāng)法進行标定,流體(tǐ)介質爲水未加氣(qì)體,采用的标準傳(chuán)感器爲精度等級(jí)爲0.2級的電磁☂️流量(liàng)計♌。在每個流量測(ce)💃量點上的儀表系(xì)數用公式(1)計算,然(rán)後🏒用式(2)計算♉得到(dào)zui終儀表系數K。Ql
爲被(bèi)測水的流量值,f爲(wei)每一個流量點得(de)到的頻率,k爲❌每🌂個(gè)測量點得到的儀(yí)表系數。kmax
、kmin
分别爲試(shi)驗流量範圍内得(de)到的zui大與zui小的儀(yí)表系數。儀表系數(shù)的線性度E1
用式(3)來(lai)計算。
譜分(fèn)析和脈沖計數兩(liǎng)種不同方法計算(suàn)出的渦街流量計(ji)儀表♻️系數分别爲(wei):Ks=10107p/m3
;Kc=10143p/m3
;計算得到的儀表(biǎo)系數線性度分别(bie)爲:1.2%和1.5%。圖3爲儀表系(xì)數随水流量值變(biàn)化的曲線,可以看(kàn)出,在試驗所選流(liú)㊙️量範圍内,儀表系(xì)數近似于一個常(chang)數,頻譜分⭕析的結(jie)🔴果與脈沖計數所(suǒ)得到的試驗結果(guo)差别不大,之間的(de)誤差範圍爲0.109%~0.688%。可見(jian)被測介質全部爲(wei)水時兩種測量方(fang)法并沒有明顯的(de)區别。
圖3 渦(wō)街流量計儀表系(xì)數
3 渦街信号分析(xī)
試驗發現,氣相的(de)加入對渦街流量(liàng)計測量的影響顯(xiǎn)著,譜分析和脈沖(chòng)計數兩種方法随(sui)着氣相注入的增(zeng)加其表現也不同(tóng)。圖4反映了水流量(liang)12m3
/h時,注入不同氣含(han)率β時A點的模拟信(xìn)号,如圖4(a~c)所示;經譜(pu)分✉️析後得到的頻(pin)率值,如圖4(d~f)所示;用(yong)脈沖計數方法得(de)到的脈沖❌信号,如(ru)圖4(g~i)所示。圖4顯示,當(dāng)注入氣量不大時(shí)🥵,對渦街流量計的(de)影響不大,無論是(shì)譜分析❄️結果還是(shi)脈沖計數得到的(de)結果都比較好。當(dang)注入的氣量進一(yi)步增加時,渦街原(yuán)始信号強度和穩(wěn)定性逐漸變差,渦(wo)街頻率信号會✌️被(bèi)幹擾信号所淹沒(mei),反映到譜⛷️分析圖(tú)是,渦街頻率的譜(pǔ)能量減小,幹擾信(xin)💋号的譜能量加強(qiáng);對于脈沖信号,會(huì)因爲一些旋🙇🏻渦信(xìn)号減弱,形成脈沖(chong)缺失現象,而不能(neng)真實地反🔞映渦街(jiē)産生的頻☁️率。
表1反映了不同(tong)流量點Ql
下,随着注(zhu)氣量Qg的增加,渦街(jie)發生頻率fs和fc的變(biàn)化情況。結果❓顯示(shi),對于不同的水流(liú)量,當注入的氣體(tǐ)流🎯量增加到一定(dìng)範圍❤️時,不能再檢(jian)測到渦街信号;在(zài)一定水流量下,随(suí)着注📧氣量的增加(jia)譜分析得到的頻(pin)率值會變大,這是(shi)由于總的體積流(liu)量💛增加了,而脈沖(chòng)計數法則由于産(chan)生脈沖缺失現象(xiang)所得到的頻率值(zhí)減小。因🎯此在氣液(yè)兩相流下,譜分析(xi)比脈沖計數法有(yǒu)優勢,它📞能在較高(gao)的含氣量依然能(neng)檢測到旋渦脫落(luo)的頻率🔞。
圖(tu)4 不同注氣量時頻(pin)率信号圖
4 渦街流量計的誤(wu)差分析
将試驗數(shu)據進行處理,得到(dào)了渦街流量計測(ce)量誤差随氣相含(han)💋率變化的情況,如(ru)圖5所示。其中δs爲譜(pǔ)分析方法的測量(liàng)誤差☔,δc爲脈沖計數(shù)方法的測量誤差(cha)。渦街流量計的🔆測(ce)量誤差用式🌈(4)來計(jì)算。其中Qs爲裝置中(zhōng)标準表🏃♀️測量出的(de)管道總流量,Qt爲試(shì)驗管段中渦街流(liu)量計的測量值。将(jiang)譜分析和脈沖🈲計(jì)數得到的頻率值(zhi)和儀表系數分别(bie)代入式(5)計算Qt值。從(cóng)圖中可以看出氣(qì)相含率的增加👌兩(liǎng)種測量㊙️方法得到(dào)的誤👉差🌈并不相同(tóng)。當含氣率不高時(shi),0<β<6%,譜分析法的平均(jun)誤差爲1.226%,zui大誤差爲(wei)2.687%,脈沖計數法的❓平(píng)均誤差爲1.583%,zui大誤差(chà)爲2.898%,因此譜分析法(fǎ)與脈沖計數法的(de)測量誤差區别🙇🏻不(bu)大,譜分析💁沒有明(ming)顯的🔞優勢;在氣相(xiang)含率進一步增加(jia)🏃🏻時,6%<β<14%,譜分析法的平(píng)均誤差爲3.975%,zui大誤差(chà)爲14.058%,脈沖計數法的(de)平均誤差爲20.053%,zui大誤(wù)差爲33.130%,脈沖計數🔞的(de)方法得♋到的測量(liàng)誤差遠大于譜分(fèn)析方法。
含氣液體(tǐ)測量誤差産生的(de)主要原因是:在氣(qi)液兩相流💁動中,由(you)🌈于氣泡對旋渦發(fa)生體的撞擊作用(yong),氣泡對邊界💃🏻層和(he)旋渦脫落的影響(xiang),以及旋渦吸入氣(qì)泡使其強度減弱(ruo),使旋渦脈沖數缺(quē)失,缺失的旋渦數(shu)不穩定,使脈沖計(ji)🏃🏻數方法測量的誤(wu)差⛱️增大,而譜分析(xi)的方法在一段時(shi)域内得到主頻譜(pu)作爲渦街頻率值(zhí),減小了旋渦缺失(shi)對測量的影響。所(suǒ)以含氣液體流體(ti)計量中譜分析方(fang)法要好于脈沖計(jì)數的方法。
圖5 不同氣(qì)相含率下渦街流(liú)量計的測量誤差(chà)
5 結束語
從試驗結(jié)果來看,渦街流量(liang)計在測量混有少(shao)量氣👈體的液體流(liu)量時,測量誤差會(hui)顯著增加。之所以(yi)會出現這樣的情(qing)況,一方面,氣體在(zài)液體中會形成氣(qi)泡,在旋渦發生🏃🏻體(tǐ)的後部形成氣團(tuán),并且旋渦中心會(hui)出現一個低壓區(qu),吸入大量質量較(jiào)輕的氣泡,從☎️而削(xuē)弱了旋渦的能量(liang),使壓電傳感器檢(jian)測不到旋渦,導緻(zhi)檢測過程中脈沖(chong)缺失現象出現;另(lìng)一方面🈲,由于旋渦(wō)的能量降低,會增(zēng)加流場本身對旋(xuan)渦脫落的擾動,進(jin)一步增加了測量(liàng)的誤差。其它方面(mian),旋渦發生體後的(de)氣團,旋渦中心區(qū)氣泡的含量、旋渦(wō)⛹🏻♀️外的氣泡量、氣泡(pào)的大小等等都會(huì)影響測量的結果(guǒ)。
通過上述的試驗(yàn)結果及分析表明(míng),單相液體中混入(ru)少量的氣體時會(hui)導緻渦街旋渦強(qiang)度變弱和可靠性(xìng)變差,在這種條件(jiàn)下🔅測量時譜分析(xī)的方法在氣含率(lü)不大時(0<β<6%)與脈沖計(jì)數的方法差别不(bu)大,但随着氣含率(lü)的進一步增加(6%<β<14%),譜(pu)分析的方法要好(hao)于脈沖計數的方(fang)法。
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