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橫河渦街流量計(jì)在含氣液體測量中的試驗(yàn)研究
閱讀：838 發(fā)布時間：2013-5-8橫河渦街流量計(jì)在含氣液體測量中的試驗(yàn)研究
HEDLAND流量計(jì) E+H渦街流量計(jì) 橫河渦街流量計(jì) 當(dāng)流體流過阻擋體時會在阻擋體的兩側(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[1],。
在單相流體介質(zhì)條件下對渦街流量計(jì)的研究相對比較成熟,，研究者通過試驗(yàn)的方法得到了大量有價值的試驗(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)常會有這樣的情況出現(xiàn)：液體管道中有時會混入少量的氣體,，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,。西安交通大學(xué)的李永光[4-6]曾經(jīng)在氣液兩相流的豎直管道上，對不同形狀的渦街發(fā)生體進(jìn)行了研究,，對不同截面含氣率下渦街的結(jié)構(gòu)以及斯特勞哈爾數(shù)的變化進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究,，并給出了斯特勞哈爾數(shù)隨截面含氣率而變化的公式。李永光的工作主要是從流體力學(xué)的角度對氣液兩相流中渦街現(xiàn)象的機(jī)理進(jìn)行了研究,，其給出的試驗(yàn)結(jié)果涉及到截面含氣率的測量[4],。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。
1 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法
1.1 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氣罐，標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)1計(jì)量氣液混合前儲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,，zui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)對所有儀表數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和顯示并對兩個電動調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)氣相和液相的流量,。
試驗(yàn)所用的橫河渦街流量計(jì)選擇了一臺應(yīng)用zui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1D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。
圖1 氣液兩相流試驗(yàn)裝置
HEDLAND流量計(jì) E+H渦街流量計(jì) 橫河渦街流量計(jì) 1.2 試驗(yàn)方法
通過流量計(jì)2的測量和調(diào)節(jié)電動閥2,，水的流量取6,、8、10,、12m3/h四個流量值,。通過電動閥1控制，流量計(jì)1顯示空氣注入量的范圍為0.3～1.8m3/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,，即將旋渦信號轉(zhuǎn)化為脈沖信號,，通過對脈沖信號計(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,，對于小流量來說由于信號微弱難以與噪聲區(qū)別,。近幾年隨著數(shù)字信號處理技術(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),，這種方法提高了對微弱渦街頻率信號的識別[7-8]?？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)中同時用譜分析方法和脈沖計(jì)數(shù)方法對渦街頻率進(jìn)行計(jì)算，并對兩種方法進(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5000Hz的頻率對A點(diǎn)的模擬信號進(jìn)行采樣，每次采樣10組數(shù)據(jù),，每組數(shù)據(jù)有5×104個采樣點(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，同時通過脈沖計(jì)數(shù)的方法對B點(diǎn)采樣,。
圖2 渦街流量計(jì)電路框圖
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)傳感器為精度等級為0.2級的電磁流量計(jì),。在每個流量測量點(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zui終儀表系數(shù)K,。Ql為被測水的流量值,，f為每一個流量點(diǎn)得到的頻率，k為每個測量點(diǎn)得到的儀表系數(shù)。kmax,、kmin分別為試驗(yàn)流量范圍內(nèi)得到的zui大與zui小的儀表系數(shù),。儀表系數(shù)的線性度E1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：Ks=10107p/m3,；Kc=10143p/m3,；計(jì)算得到的儀表系數(shù)線性度分別為：1.2%和1.5%。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)全部為水時兩種測量方法并沒有明顯的區(qū)別,。
圖3 渦街流量計(jì)儀表系數(shù)
HEDLAND流量計(jì) E+H渦街流量計(jì) 橫河渦街流量計(jì) 3 渦街信號分析
試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，氣相的加入對渦街流量計(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12m3/h時，注入不同氣含率β時A點(diǎn)的模擬信號,，如圖4（a～c）所示,；經(jīng)譜分析后得到的頻率值，如圖4（d～f）所示,；用脈沖計(jì)數(shù)方法得到的脈沖信號,，如圖4（g～i）所示。圖4顯示,，當(dāng)注入氣量不大時,，對渦街流量計(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)一步增加時,，渦街原始信號強(qiáng)度和穩(wěn)定性逐漸變差，渦街頻率信號會被干擾信號所淹沒,，反映到譜分析圖是,，渦街頻率的譜能量減小，干擾信號的譜能量加強(qiáng),；對于脈沖信號,，會因?yàn)橐恍┬郎u信號減弱，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)Ql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,，對于不同的水流量，當(dāng)注入的氣體流量增加到一定范圍時,，不能再檢測到渦街信號,；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。
圖4 不同注氣量時頻率信號圖
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δs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，0<β<6%,，譜分析法的平均誤差為1.226%,，zui大誤差為2.687%，脈沖計(jì)數(shù)法的平均誤差為1.583%,，zui大誤差為2.898%,，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,，6%<β<14%，譜分析法的平均誤差為3.975%,，zui大誤差為14.058%,，脈沖計(jì)數(shù)法的平均誤差為20.053%，zui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：在氣液兩相流動中，由于氣泡對旋渦發(fā)生體的撞擊作用，氣泡對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域內(nèi)得到主頻譜作為渦街頻率值，減小了旋渦缺失對測量的影響,。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,。
圖5 不同氣相含率下渦街流量計(jì)的測量誤差
HEDLAND流量計(jì) E+H渦街流量計(jì) 橫河渦街流量計(jì) 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,，測量誤差會顯著增加,。之所以會出現(xiàn)這樣的情況，一方面,，氣體在液體中會形成氣泡,，在旋渦發(fā)生體的后部形成氣團(tuán)，并且旋渦中心會出現(xiàn)一個低壓區(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,，會增加流場本身對旋渦脫落的擾動,，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會導(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譜分析的方法在氣含率不大時（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,。HEDLAND流量計(jì) E+H渦街流量計(jì) 橫河渦街流量計(jì)