摘要:渦(wō)街(jiē)流量計 可用(yòng)于部(bù)分混相流(liú)的測量,但迄今(jīn)爲止有關混相(xiàng)流對渦街流量計測量(liàng)特(tè)性的(de)影響。在體積含(hán)氣率(lǜ)爲2.0%~15.0%的(de)範圍内,評(píng)定了(le)用渦(wō)街流量計測量氣(qì)液(yè)混相流的(de)不确定度(dù),提出(chū)渦街流量計測(cè)量氣液混相流(liú)的不确定度計(jì)算式。實(shí)驗(yàn)以空氣和(hé)水爲(wèi)介(jiè)質産生(shēng)氣(qì)液(yè)混相流，渦(wō)街信号通(tōng)過管(guǎn)壁差壓法(fǎ)采集,渦(wō)街頻率(lǜ)通過功率譜分析獲得。結果表(biǎo)明在保持渦街(jiē)流量(liàng)計一(yī)定測(cè)量精(jīng)度的前提(tí)下,渦街流量計(jì)相對擴展(zhǎn)不确(què)定度随氣液混(hùn)相流流量及其(qí)體積(jī)含氣率的(de)分布比(bǐ)較(jiào)均勻;在渦(wō)街頻(pín)率測量的不确定度(dù)分量中,由重複(fú)性(xìng)和複現性引起的相對(duì)标準不确定度(dù)随流(liú)量的(de)變(biàn)化呈現(xiàn)出較(jiào)強的随機性,而由頻率分(fèn)辨率引起(qǐ)的(de)相對标(biāo)準不确定(dìng)度則随(suí)着流量的增加而(ér)減小。在(zài)流量與(yǔ)體積(jī)含氣率範圍内(nèi),由氣液混(hùn)相流(liú)引起的(de)渦街流(liú)量計附(fù)加(jiā)相對(duì)不确定度小于(yú)2.0%。分析氣液混相(xiàng)流對(duì)渦(wō)街(jiē)流量(liàng)計測(cè)量特(tè)性的(de)影響提(tí)供了有(yǒu)益(yì)的借(jiè)鑒。
1引言(yán)
　　在工業(yè)生産過(guò)程中,爲了(le)有效(xiào)地指導生産操作和控制生産過程,常常需要(yào)檢測生産過程(chéng)中各種流(liú)動介(jiè)質的流(liú)量,以便(biàn)爲管(guǎn)理和控制生産提供依據。所以,對(duì)于流量(liàng)測量方法(fǎ)及儀表在(zài)現(xiàn)代化生(shēng)産中顯(xiǎn)得十分(fèn)重要。渦街流量(liàng)計是一(yī)種(zhǒng)基(jī)于(yú)流體(tǐ)振動(dòng)原理(lǐ)的新興流(liú)量測(cè)量儀表，近(jìn)年來(lái)發展迅速,在能(néng)源、化工、冶金等衆多過(guò)程(chéng)工程(chéng)領域(yù)得(dé)到了廣(guǎng)泛應(yīng)用。渦(wō)街流量(liàng)計的輸出信(xìn)号是與流體平均流速成正比(bǐ)的脈沖頻率,不受流體物性和(hé)組分變化(huà)的影(yǐng)響。因(yīn)此,從理論(lùn)上講(jiǎng),渦街流量(liàng)計除了(le)用于液(yè)體、氣(qì)體和蒸汽流量測(cè)量(liàng)以外(wài)，甚至還可以用(yòng)于部分混(hùn)相流(liú)的測量。然而,目前關(guān)于(yú)混(hùn)相流(liú)對渦街流量計(jì)的影響,還缺少(shǎo)理論和實(shí)踐經驗,雖然開展了(le)一些渦街流量(liàng)計測量(liàng)混相流(liú)方面的(de)試(shì)驗,但還處(chù)于探索階段.
　　不确(què)定度是(shì)表征合理地賦予被(bèi)測量值的(de)分散(sàn)性(xìng),與測量(liàng)結果相聯系的參數。不确(què)定度是說(shuō)明測量水(shuǐ)平的主要指标(biāo)，是表(biǎo)示測量質(zhì)量的(de)重要(yào)依據(jù)。不确定(dìng)度對科(kē)學、工程及(jí)商貿(mào)中大(dà)量存在的(de)測量(liàng)結果的處(chù)理與表示都具有普(pǔ)遍(biàn)的指導(dǎo)意義。但是(shì),目前對于渦街流量(liàng)計不确定(dìng)度還比較少。
　　在對渦(wō)街流量計測量單相(xiàng)流不确定(dìng)度的基(jī)礎上,對(duì)測量模(mó)型和(hé)算(suàn)法進行(háng)了(le)改進(jìn),将其應.用于氣液混相流不确(què)定度的評定,分(fèn)析了(le)氣液(yè)混相流流量及其體(tǐ)積含氣率(lǜ)對渦(wō)街流(liú)量計不确(què)定度的影響,讨(tǎo)論了各不确定(dìng)度分量(liàng)的(de)影響因素(sù),由氣液混(hùn)相流引起的渦街流量計附加(jiā)不确(què)定度。
2測量原理(lǐ)與實驗
2.1渦(wō)街流量計(jì)測量原理(lǐ)
　　在流體中(zhōng)垂直于流(liú)向插(chā)入一(yī)根非流線(xiàn)型柱狀物(wù)體(即旋渦發生體),當滿足一定條件(jiàn)時,旋(xuán)渦(wō)發生體(tǐ)的兩側将(jiāng)出現(xiàn)兩排(pái)旋(xuán)轉方向(xiàng)相反、交(jiāo)替(tì)産生的非(fēi)對稱(chēng)的旋(xuán)渦列(即(jí)卡門渦街,簡稱渦街),它的頻率與(yǔ)流體(tǐ)平均(jun1)流速成正(zhèng)比，因此,通過檢(jiǎn)測(cè)渦街的(de)頻率(lǜ),根據有關的關(guān)系式(shì)可以(yǐ)獲得(dé)流體的流量。
 
　　式(shì)中:ƒ一渦街頻率(lǜ);u一流體平(píng)均速(sù)度;d一(yī)旋渦發生(shēng)體迎(yíng)面寬(kuān)度;d一管道内徑;
　　u1一旋渦發(fā)生體兩側(cè)的(de)平(píng)均流速;st一(yī)斯特勞哈爾數(shù);m一旋渦發生體(tǐ)兩側弓形面積與管(guǎn)道橫(héng)截面(miàn)面積之比。
管道(dào)内流(liú)體的體(tǐ)積(jī)流量qv爲(wèi):
 
式(shì)中:k一渦街流(liú)量計的儀表(biǎo)系數。
　　式(3)爲(wèi)渦街流量計測(cè)量的基本關系式,其(qí)中儀表系(xì)數k除了與(yǔ)旋渦發生(shēng)體、管道的(de)幾何尺寸(cùn)有關(guān)外,還(hái)與斯特勞哈爾數有關。斯特勞(láo)哈爾數爲(wèi)無量綱(gāng)參(cān)數,它(tā)與(yǔ)旋渦發生體(tǐ)形狀及雷(léi)諾數(shù)有關,在雷(léi)諾數(shù)爲5x103~7x106範圍内,st可視(shì)爲常(cháng)數。渦(wō)街流(liú)量計輸出(chū)的脈(mò)沖頻率信号不受流體物(wù)性和組分變化的影(yǐng)響,可适(shì)用于液(yè)體(tǐ)、氣體(tǐ)、蒸汽和(hé)部分混相(xiàng)流的(de)測量。
2.2實(shí)驗裝置(zhì)和過程(chéng)
　　實驗系統如圖(tú)1所示,采(cǎi)用空氣和水作(zuò)爲實驗介，質來(lái)産生混相(xiàng)流。空(kōng)氣和水先分别(bié)經标準流量計(jì)測量流量,然後(hòu)進人(rén)混相(xiàng)器充分混合後(hòu),再流(liú)經實驗(yàn)渦街流(liú)量計(jì)。實驗渦街(jiē)流量計的内徑(jìng)爲50mm,旋(xuán)渦發生(shēng)體(tǐ)爲準梯形,迎流(liú)面寬(kuān)度(dù)爲14mm,不确(què)定度(dù)爲1.0%。渦街頻率信号通過管(guǎn)壁差壓法獲(huò)取(qǔ),采樣(yàng)頻率爲2500hz,采(cǎi)樣時間4s,每個采集的時(shí)間序列(liè)包含10000個數(shù)據點(diǎn)，因此(cǐ)頻率(lǜ)分辨(biàn)率爲(wèi)0.31hz。
 
　　空氣(qì)标準(zhǔn)流量計采(cǎi)用不(bú)确定度爲1.0%的渦街流量計,水标(biāo)準流量計采(cǎi)用(yòng)不确(què)定度(dù)爲0.5%的(de)電磁流量(liàng)計。标(biāo)準流(liú)量計和實(shí)驗渦街流量計(jì)所在(zài)處的溫度(dù)和壓力也(yě)同時(shí)測量(liàng),用以補償(cháng)因管道和混相(xiàng)器(qì)的壓損引起(qǐ)的空氣和水體積的變化。經計(jì)算,實(shí)驗渦(wō)街流(liú)量計(jì)處空氣流(liú)量qva爲0~2.0m³·h-1,水流量爲qvw10.0~18.5m³·h-1,混相流(liú)的體(tǐ)積(jī)含氣率:
 
　　實(shí)驗中β值爲2.0%~15.0%。對(duì)每種固(gù)定組分(即體積(jī)含氣率)的氣液(yè)混相(xiàng)流,實驗在(zài)重複性條(tiáo)件下(xià)進行(háng)了(le)六(liù)次,在(zài)複現(xiàn)性(xìng)條件下(xià)也進行了六次(cì)。
3測量模型(xíng)與不(bú)确定(dìng)度傳(chuán)播律(lǜ)
　　對于(yú)渦街流量計,其(qí)儀表系數k必須(xū)通過實流(liú)qv8标定确定,對于混相流的(de)測量(liàng),有:
9v8=qvs8+qvsw(6)
　　式中:qvs8一(yī)空氣标準(zhǔn)流量計的示數;qvsw一(yī)水标準(zhǔn)流量計的示數(shù)。
　　因此,渦街流量計測量氣液混(hùn)相流(liú)時的(de)測量模型(xíng)可以(yǐ)寫成(chéng):
qv=f(ƒ,qvs8,qvsw)(7)
　　根據iso-gum和jjf1059-1999的規定,渦街(jiē)流(liú)量計測(cè)量氣(qì)液混相流(liú)合成(chéng)标(biāo)準不确(què)定(dìng)度的(de)傳(chuán)播律(lǜ)爲:
 
　　式中:u1(ƒ),u2(ƒ),u3(ƒ)一-在渦(wō)街頻率(lǜ)測(cè)量中(zhōng)由重複(fú)性、複現(xiàn)性、頻率分辨率引起的相對标(biāo)準不确(què)定(dìng)度(dù)。
　　最後，可以得到渦街流量計測量氣液混相流時(shí),置信概率爲95%的(de)相對擴展(zhǎn)不确(què)定度(dù)爲(wèi):
u(qv)=2uc(qv)(14)
4實驗結(jié)果與(yǔ)讨(tǎo)論(lùn)
4.1數據(jù)處理
4實驗(yàn)結果與讨論(lùn)
4.1數據處(chù)理
　　首先,采用十(shí)階butterworth帶(dài)通濾(lǜ)波器(qì)對管壁差(chà)壓法(fǎ)檢測的(de)信号進(jìn)行處理,以(yǐ)消除(chú)管道振動和流(liú)體湍動等(děng)幹擾的影響。由于在實驗流量(liàng)範圍(wéi)内(nèi)渦街頻(pín)率爲(wèi)10~60hz,因此butterworth濾波器(qì)的(de)頻率帶通(tōng)範圍設置(zhì)爲3~300hz。得到的(de)渦街(jiē)流量(liàng)計輸(shū)出信号如圖2所(suǒ)示。
　　然後,對butterworth濾波器的輸出(chū)信号(hào)進行(háng)功率譜分(fèn)析以獲(huò)得(dé)渦街(jiē)頻率。信号的功(gōng)率譜密度反映(yìng)了信号的功率(lǜ)随頻率的分布(bù)。時域(yù)的渦(wō)街信(xìn)号在渦街(jiē)頻率(lǜ)處出(chū)現能量集(jí)中,所以通過譜分析方法(fǎ),将時域的(de)信号轉化(huà)到(dào)頻(pín)域，能方便(biàn)地提取出渦街(jiē)頻率(lǜ)值。把(bǎ)butterworth濾波(bō)器的輸(shū)出(chū)信号(hào)x(n)的n點(diǎn)觀察數據(jù)xn(n)視爲(wèi)一(yī)能量有(yǒu)限信号(hào),直接取(qǔ)xn(n)的傅(fù)裏(lǐ)葉變換(huàn)計算xn(ejɷ),再(zài)将(jiāng)ɷ在單(dān)位圓(yuán)上等間隔(gé)取值計(jì)算xn(k),由離(lí)散傅(fù)裏葉變換可得:
 
　　将計(jì)算得(dé)到的渦(wō)街(jiē)頻率(lǜ)和記(jì)錄的标準(zhǔn)流量計示數代(dài)人式(shì)(4),可得實(shí)驗(yàn)範圍内(nèi)渦(wō)街流量計(jì)儀表系數的分布(bù)情況，如圖3所(suǒ)示(shì)。可以看(kàn)到,在實驗(yàn)範圍内,氣(qì)液混相流對渦街(jiē)流(liú)量計(jì)儀表(biǎo)系數造成(chéng)的附加(jiā)誤(wù)差在(zài)±3.0%以内(nèi)。
 
4.2不确定(dìng)度(dù)估計
　　對于(yú)某一(yī)固定(dìng)組(zǔ)分的氣(qì)液混相流,其各不确(què)定度分量(liàng)的計算式爲:
 
　　式(shì)中:m,n-在重複性和複現性條(tiáo)件下(xià)的實驗次(cì)數,m=1,2,..,6,n=1,2,.,6。
　　由(yóu)于(yú)u(qvs8)=1.0%,u(qvsw)=0.5%,因(yīn)此将以上(shàng)計算(suàn)結果代人(rén)式(12)~式(shì)(14),得到(dào)不同(tóng)混相(xiàng)組(zǔ)分(體積含氣率)下(xià)渦街流量計的(de)相對(duì)擴展不(bú)确(què)定度(dù)與流量(liàng)的關系(xì)，如圖4所示(shì)。從圖中可(kě)以看到,在混相流流量爲10.0~20.0m3/h的實驗(yàn)範圍内(nèi),渦街流量(liàng)計的相對(duì)擴展不确(què)定度比較均勻地分布于2.5%~3.5%之間(jiān)，流量值的大小(xiǎo)對相(xiàng)對擴展不(bú)确定度的影響(xiǎng)不顯(xiǎn)著(zhe)。
 
　　由于在(zài)實(shí)驗過程中采(cǎi)用的空氣和水(shuǐ)标準流量(liàng)計一(yī)定,所以(yǐ)由它們(men)引人的不确定度也固定不變(biàn),分别(bié)爲1.0%和0.5%。對于(yú)渦街頻率的三(sān)個不(bú)确定度分(fèn)量u1(ƒ),u2(ƒ),u3(ƒ),随流(liú)量(liàng)的變(biàn)化(huà)趨勢(shì)并不相(xiàng)同。在不同(tóng)流量(liàng)下，u1(ƒ)和u2(ƒ)的變化呈(chéng)現出(chū)較強的随機性,這反(fǎn)映了(le)測量過程中的(de)随機(jī)效應。另一(yī)方面(miàn),u3(ƒ)則(zé)随(suí)着流(liú)量的增加(jiā)而變小，主(zhǔ)要(yào)是(shì)由于(yú)實驗(yàn)過(guò)程中信号的頻率分(fèn)辨(biàn)率保持爲0.31hz(由采(cǎi)用頻率(lǜ)和(hé)采樣(yàng)點數決定),而在流量(liàng)較大時渦(wō)街頻率也較大(dà),根據式(19)可(kě)知u3(ƒ)将随着流量的增加而(ér)減小。
4.3混相(xiàng)流組(zǔ)分對不确(què)定度(dù)的影響(xiǎng)
　　圖(tú)5給出(chū)了不同混相流(liú)組分(fèn)(即體(tǐ)積含氣率)時渦街流(liú)量計的相(xiàng)對擴(kuò)展不确定(dìng)度。與圖4中(zhōng)混相(xiàng)流流(liú)量(liàng)對(duì)相對(duì)擴展(zhǎn)不确定度的影響相似,在(zài)體積含氣(qì)率爲(wèi)2.0%~15.0%的實驗範圍内(nèi),渦街流量(liàng)計的(de)相對(duì)擴展不确定度(dù)比較均勻(yún)地分布(bù)于2.5%~3.5%之(zhī)間(jiān),體積(jī)含氣(qì)率與(yǔ)相對擴展不确(què)定度(dù)之(zhī)間沒有(yǒu)明(míng)顯的依(yī)賴關(guān)系。
 
　　結合圖4和圖(tú)5可見,在保持渦(wō)街流量(liàng)計一定(dìng)測量精度的前(qián)提下(xià),混相流流(liú)量及其體積含(hán)氣率(lǜ)對渦(wō)街流(liú)量計相(xiàng)對不确定度沒有明顯的(de)傾(qīng)向性(xìng)影響(xiǎng),即渦(wō)街(jiē)流量計(jì)相對不(bú)确定度(dù)随混相(xiàng)流流量(liàng)及其(qí)體積含氣(qì)率的分布比較(jiào)均勻。同(tóng)時在本(běn)中，由(yóu)于實驗渦(wō)街流量計(jì)的基(jī)本不确(què)定度爲(wèi)1.0%,而測量氣液混(hùn)相流(liú)時的總不(bú)确定度小于3.0%,因(yīn)此,由(yóu)氣液混相(xiàng)流引起的(de)渦街(jiē)流量計附加相(xiàng)對不确定度小(xiǎo)于2.0%。
5結(jié)論
　　用渦街(jiē)流量(liàng)計測量體(tǐ)積含氣率爲2.0%~15.0%的(de)氣(qì)液混相流的(de)不确(què)定(dìng)度,提出(chū)了渦街流量計測量氣(qì)液混相(xiàng)流的(de)不确定度(dù)計(jì)算(suàn)式。實驗以(yǐ)空氣和水爲介質産(chǎn)生(shēng)氣(qì)液混(hùn)相流,渦(wō)街信号(hào)通過管壁差壓法(fǎ)采集,渦街頻(pín)率通過(guò)功率譜(pǔ)分析(xī)獲得。結果表明:
(1)在(zài)保持渦(wō)街流量計--定測量精(jīng)度的(de)前提(tí)下,混相流(liú)流量及其體積(jī)含氣(qì)率對渦(wō)街流量(liàng)計相對(duì)擴(kuò)展不(bú)确定度沒(méi)有明(míng)顯的傾(qīng)向性影(yǐng)響,即渦街(jiē)流量(liàng)計相(xiàng)對擴展不(bú)确定(dìng)度随混相流流(liú)量(liàng)及其體(tǐ)積含氣率(lǜ)的分布比較均(jun1)勻。
(2)在(zài)渦街頻率測量(liàng)中由(yóu)重複性、複(fú)現性、頻率分辨(biàn)率引起的相對(duì)标準不确(què)定度(dù)随流(liú)量的變化(huà)趨勢(shì)不相同,其(qí)中(zhōng)由重複性和(hé)複現性引(yǐn)起的(de)相對(duì)标準不确(què)定度随流(liú)量的變化(huà)呈現出較(jiào)強(qiáng)的随機性,而(ér)由頻率分辨率(lǜ)引起(qǐ)的相對标(biāo)準不(bú)确(què)定度則(zé)随着流量(liàng)的增加(jiā)而(ér)逐(zhú)漸變小(xiǎo)。
(3)在混相(xiàng)流流量與體積含(hán)氣率(lǜ)範圍.内,由(yóu)氣液(yè)混相(xiàng)流引起的(de)渦街流量計附(fù)加相(xiàng)對不确定(dìng)度小于(yú)2.0%。

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