摘要(yao):渦街流量(liàng)計 可用于(yu)部分混相(xiàng)流的測量(liàng),但迄今爲(wei)止有關混(hùn)相流對渦(wo)街流量計(ji)測量特性(xing)的影響。在(zài)體積含氣(qi)率爲2.0%~15.0%的範(fàn)圍内,評🔆定(ding)了用渦🆚街(jie)流量計測(ce)量氣液混(hun)相👉流的不(bú)确定度,提(tí)出渦🧑🏾‍🤝‍🧑🏼街流(liu)量計測量(liàng)氣液混相(xiang)流👅的不确(què)定度計算(suàn)式🙇🏻。實驗以(yǐ)空氣和水(shuǐ)爲☔介質産(chǎn)生氣液混(hùn)相流，渦街(jie)信号通過(guo)管壁差壓(yā)法采集,渦(wo)街👣頻率通(tōng)過功率譜(pǔ)分析獲得(de)。結果表明(ming)在保持渦(wo)街流量計(jì)一定測量(liang)精度的前(qian)提下,渦街(jiē)流量計相(xiàng)對擴展不(bú)确定度随(sui)氣🔆液混相(xiàng)流流量及(jí)其體積含(hán)氣🔞率的分(fèn)布比較均(jun1)勻;在渦街(jiē)頻率測量(liang)的不确‼️定(dìng)度💃分量中(zhong),由重複性(xing)和複現💋性(xing)引起的相(xiang)對标準不(bú)确🐅定度随(suí)流量的變(bian)化呈現出(chu)較強的随(suí)機性,而由(yóu)頻率分辨(bian)率引起的(de)相對标準(zhǔn)不确定度(dù)則随着流(liú)量的增加(jiā)而減小。在(zài)流量與體(ti)積含氣率(lǜ)範圍内,由(yóu)氣液混相(xiàng)流引起的(de)渦街流量(liàng)計附加相(xiàng)對不确定(dìng)度小于2.0%。分(fèn)析氣液混(hùn)相流對渦(wō)街流量計(jì)測量特性(xing)的影響提(ti)供了有益(yì)的借鑒。
1引(yin)言
　　在工業(yè)生産過程(chéng)中,爲了有(you)效地指導(dǎo)生産操作(zuò)和控制🌐生(shēng)産過👈程,常(chang)常需要檢(jian)測生産過(guo)程中各種(zhǒng)流動介質(zhì)的流量,以(yǐ)便✨爲管理(lǐ)和控制生(sheng)産提供依(yī)據。所以,對(duì)☂️于流量✊測(ce)量方❤️法及(jí)儀表在現(xian)代化生産(chǎn)中顯得十(shi)分👨‍❤️‍👨重要。渦(wo)街🔱流量計(jì)是一種基(ji)于流體振(zhen)動🏒原理的(de)新興流量(liang)測量儀表(biǎo)，近年來發(fa)🈲展迅速,在(zai)能源、化工(gōng)、冶金🔞等衆(zhōng)多過程工(gōng)程領域得(dé)到了廣泛(fan)應🈲用。渦街(jiē)流量計的(de)輸出信号(hao)是與流體(tǐ)平均流速(sù)成正🐕比的(de)脈沖頻率(lü),不受流體(tǐ)物性和組(zǔ)分💯變化的(de)影響。因此(cǐ),從🌈理論上(shang)講,渦📐街流(liu)量計除了(le)用于液體(ti)、氣體和蒸(zheng)汽流量測(ce)量以外，甚(shèn)至還可以(yi)用于部分(fen)混相流的(de)測量。然而(er),目前關于(yu)混相流對(duì)渦街流量(liàng)計的影響(xiǎng),還缺少理(lǐ)論和實踐(jiàn)經驗,雖然(rán)開展了一(yī)些渦街流(liu)量計測量(liang)混相流方(fāng)面的試驗(yàn),但還處于(yú)探索階段(duan).
　　不确定度(du)是表征合(hé)理地賦予(yu)被測量值(zhí)的分散性(xìng),與測量結(jie)果相聯系(xì)的參數。不(bu)确定度是(shi)說明測量(liang)水平的主(zhu)要指标，是(shì)表示測量(liàng)質量的重(zhòng)要依據。不(bu)确定度對(duì)科學、工程(cheng)及商貿中(zhōng)大量存在(zài)的測量結(jie)果的處理(lǐ)與表示都(dōu)具有普遍(biàn)的指導意(yì)義。但是,目(mu)前對于渦(wo)街流量計(jì)不确定度(dù)還比較少(shǎo)。
　　在對渦街(jie)流量計測(ce)量單相流(liú)不确定度(du)的基礎上(shang),對測量模(mó)型和算法(fǎ)進行了改(gai)進,将其應(ying).用于氣液(yè)混相流不(bu)确定度的(de)評定,分析(xī)了氣液混(hùn)相流流量(liang)及其體積(ji)含氣率對(duì)渦街流量(liang)計不确定(ding)度的影響(xiang),讨論了各(ge)不确定度(dù)分量的影(yǐng)響因素,由(you)氣液混相(xiang)流引起的(de)渦街流量(liàng)計附加不(bu)确定度。
2測(cè)量原理與(yu)實驗
2.1渦街(jiē)流量計測(ce)量原理
　　在(zài)流體中垂(chuí)直于流向(xiàng)插入一根(gen)非流線型(xing)柱狀物🔞體(ti)(即旋渦發(fa)生體),當滿(man)足一定條(tiáo)件時,旋渦(wō)發生體❗的(de)兩側将出(chū)現兩排旋(xuan)轉💰方向相(xiang)反、交替産(chan)生的非對(dui)稱的旋渦(wō)列(即卡門(mén)渦街,簡稱(chēng)渦街),它的(de)頻率與流(liú)體平均⁉️流(liú)速成正比(bi)，因此,通過(guò)檢測渦街(jiē)的頻率,根(gen)據有關的(de)關系式可(ke)以📱獲得流(liú)體的🈚流量(liang)。
 
　　式中:ƒ一渦(wo)街頻率;u一(yi)流體平均(jun1)速度;d一旋(xuán)渦發生體(tǐ)迎面寬度(dù);D一🥵管道内(nèi)徑;
　　U1一旋渦(wō)發生體兩(liang)側的平均(jun1)流速;St一斯(si)特勞哈爾(ěr)數;m一旋渦(wō)發🤩生體兩(liang)側弓形面(mian)積與管道(dao)橫截面面(mian)積之比。
管(guan)道内流體(tǐ)的體積流(liu)量qv爲:
 
式中(zhōng):K一渦街流(liu)量計的儀(yí)表系數。
　　式(shì)(3)爲渦街流(liu)量計測量(liang)的基本關(guān)系式,其中(zhong)儀表系數(shù)K除👨‍❤️‍👨了與旋(xuan)渦發生體(ti)、管道的幾(jǐ)何尺寸有(yǒu)關外,還與(yǔ)斯🌐特勞哈(ha)爾🔴數有關(guān)。斯特勞哈(ha)爾數爲無(wu)量綱參數(shù),它與旋渦(wo)發🙇‍♀️生體形(xíng)狀及雷🔱諾(nuò)數有關,在(zài)雷諾數🔞爲(wèi)5x103~7x106範圍内✏️,St可(kě)視爲常數(shù)。渦街流量(liàng)計輸出的(de)脈沖頻率(lǜ)信号不受(shòu)流體物性(xìng)和組分變(bian)化的影響(xiang),可适用🈲于(yú)液體、氣體(tǐ)、蒸🏃‍♂️汽和部(bu)分混相💃流(liu)的測量。
2.2實(shi)驗裝置和(he)過程
　　實驗(yan)系統如圖(tu)1所示,采用(yòng)空氣和水(shui)作爲實驗(yan)介，質❓來産(chǎn)🎯生混相流(liú)。空氣和水(shuǐ)先分别經(jing)标準流量(liang)計測量流(liú)量,然後進(jin)人混🌈相器(qì)充分混合(he)後,再流經(jing)實驗渦街(jiē)流量計。實(shí)驗渦街流(liu)量計的内(nèi)徑爲50mm,旋渦(wō)發生體爲(wei)準梯形,迎(yíng)流面寬度(du)爲14mm,不确定(ding)度爲1.0%。渦街(jie)頻率信号(hao)通過管壁(bì)差壓法獲(huo)取,采樣頻(pin)率爲2500Hz,采樣(yàng)時間🚩4s,每個(ge)采集的時(shi)間序列包(bāo)含10000個🆚數據(jù)點，因此頻(pín)率分辨率(lǜ)爲0.31Hz。
 
　　空氣标(biao)準流量計(jì)采用不确(què)定度爲1.0%的(de)渦街流量(liàng)計🏃🏻,水标🥰準(zhun)流量計采(cǎi)用不确定(dìng)度爲0.5%的電(dian)磁流量計(ji)。标準流量(liàng)計和實驗(yan)渦街流量(liang)計所在處(chù)的溫度和(he)壓力也同(tóng)時測量,用(yong)以補償因(yin)管道和混(hun)相器的壓(yā)損引起的(de)空氣和水(shui)體積的變(biàn)化🍓。經計算(suàn),實驗渦街(jie)流量計處(chu)空氣流量(liàng)qva爲0~2.0m³·h-1,水流量(liang)爲qvw10.0~18.5m³·h-1,混相流(liú)的體積含(hán)氣率:
 
　　實驗(yàn)中β值爲2.0%~15.0%。對(duì)每種固定(ding)組分(即體(tǐ)積含氣率(lü))的氣液混(hun)🌍相流,實驗(yàn)在重複性(xìng)條件下進(jin)行了六次(cì),在複現性(xìng)條件下也(ye)進行了六(liù)次。
3測量模(mó)型與不确(què)定度傳播(bo)律
　　對于渦(wo)街流量計(ji),其儀表系(xì)數K必須通(tong)過實流Qv8标(biao)定确定,對(duì)于混相流(liu)的測量,有(you):
9v8=qvs8+qvsw(6)
　　式中:qvs8一空(kong)氣标準流(liú)量計的示(shi)數;qvsw一水标(biao)準流量計(ji)的示⚽數。
　　因(yīn)此,渦街流(liú)量計測量(liàng)氣液混相(xiang)流時的測(cè)量模型㊙️可(kě)以寫成:
qv=F(ƒ,qvs8,qvsw)(7)
　　根(gēn)據ISO-GUM和JJF1059-1999的規(guī)定,渦街流(liu)量計測量(liàng)氣液混相(xiàng)流合成标(biāo)⭐準不确定(ding)度的傳播(bo)律爲:
 
　　式中(zhōng):U1(ƒ),U2(ƒ),U3(ƒ)一-在渦街(jie)頻率測量(liang)中由重複(fú)性、複現性(xìng)、頻率分辨(bian)率引起的(de)相對标準(zhǔn)不确定度(dù)。
　　最後，可以(yǐ)得到渦街(jiē)流量計測(ce)量氣液混(hun)相流時,置(zhì)信🔴概率爲(wei)95%的相對擴(kuò)展不确定(ding)度爲:
U(qv)=2Uc(qv)(14)
4實驗(yan)結果與讨(tǎo)論
4.1數據處(chu)理
4實驗結(jié)果與讨論(lùn)
4.1數據處理(li)
　　首先,采用(yong)十階Butterworth帶通(tong)濾波器對(duì)管壁差壓(yā)法檢測的(de)👈信号🌈進行(hang)處理,以消(xiāo)除管道振(zhen)動和流體(tǐ)湍動等幹(gan)擾的影響(xiang)。由于在實(shí)驗流量範(fan)圍内渦街(jiē)頻率爲10~60Hz,因(yin)👅此Butterworth濾波器(qì)的頻率帶(dài)通範圍設(she)置爲3~300Hz。得到(dào)的渦街流(liu)量計輸出(chū)信号如圖(tu)2所示。
　　然後(hòu),對Butterworth濾波器(qi)的輸出信(xìn)号進行功(gong)率譜分析(xī)以獲得渦(wō)街🚶‍♀️頻率。信(xin)号的功率(lü)譜密度反(fǎn)映了信号(hào)的功率随(sui)🌂頻率🏃🏻‍♂️的分(fèn)🐅布。時域的(de)渦街信号(hao)在渦街頻(pín)率處出現(xian)能量集中(zhong)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻,所以通過(guo)譜分析方(fāng)法,将時域(yù)的信号轉(zhuan)化到頻域(yù)，能方便地(dì)提取出渦(wo)街頻🏃‍♂️率值(zhi)。把Butterworth濾🏃🏻波器(qì)的輸出信(xin)号x(n)的N點觀(guan)察數據xN(n)視(shi)爲一能量(liàng)有限🐪信号(hao),直接取xN(n)的(de)傅裏葉變(bian)換計算xN(ejɷ),再(zai)将ɷ在單位(wèi)🏃🏻‍♂️圓上等間(jian)隔取值計(ji)算🚶XN(k),由離散(san)傅裏葉變(bian)換可得:
 
　　将(jiang)計算得到(dao)的渦街頻(pín)率和記錄(lu)的标準流(liu)量計示數(shù)代人式(4),可(kě)得實驗範(fan)圍内渦街(jie)流量計儀(yí)表系數的(de)分布情⭕況(kuang)，如圖3所示(shì)。可以看到(dào),在實驗範(fan)圍内,氣液(yè)混相流對(dui)渦街流量(liang)計儀表系(xì)數造成的(de)附加誤❤️差(cha)在±3.0%以内。
 
4.2不(bu)确定度估(gū)計
　　對于某(mou)一固定組(zu)分的氣液(yè)混相流,其(qí)各不确定(ding)度分量的(de)計算式爲(wei):
 
　　式中:m,n-在重(zhòng)複性和複(fú)現性條件(jiàn)下的實驗(yàn)次數,m=1,2,..,6,n=1,2,.,6。
　　由于(yu)U(qvs8)=1.0%,U(qvsw)=0.5%,因此将以(yǐ)上計算結(jie)果代人式(shì)(12)~式(14),得到不(bu)同混相組(zu)分(體🤞積含(han)氣率)下渦(wō)街流量計(ji)的相對擴(kuò)展不🔱确定(ding)度與流量(liang)的關✔️系，如(ru)圖4所示。從(cóng)圖中可以(yǐ)看到,在混(hùn)相流流量(liang)爲10.0~20.0m3/h的實驗(yàn)範圍内,渦(wō)街🙇‍♀️流量計(ji)的相對擴(kuò)展不确定(ding)度比較均(jun1)勻地分布(bù)于2.5%~3.5%之間，流(liu)量值的大(da)小對相對(dui)擴展不确(què)定度的影(yǐng)響💋不顯著(zhe)。
 
　　由于在實(shí)驗過程中(zhong)采用的空(kōng)氣和水标(biāo)準流量計(jì)一定,所🧡以(yǐ)由它們引(yǐn)人的不确(què)定度也固(gu)定不變,分(fèn)别爲1.0%和0.5%。對(duì)于渦㊙️街頻(pín)率的三個(gè)不确定度(du)分量U1(ƒ),U2(ƒ),U3(ƒ),随流(liú)量的變化(hua)趨勢并不(bu)相同。在不(bu)㊙️同流量♋下(xià)，U1(ƒ)和U2(ƒ)的變化(hua)呈現出較(jiao)❓強的随機(ji)性,這反映(ying)了測量過(guo)🌂程中的随(suí)🌈機效應。另(ling)一方面,U3(ƒ)則(ze)随着🔞流量(liàng)的增加而(er)變小，主要(yao)是由于實(shí)驗過🌐程中(zhōng)信号的頻(pin)率分辨率(lǜ)保持☔爲0.31Hz(由(yóu)采用頻率(lü)和采樣點(dian)數決🎯定),而(er)在流量較(jiao)大時渦街(jiē)頻率也較(jiào)大,根據式(shì)(19)可知U3(ƒ)将随(sui)着流量的(de)👌增加而減(jian)小。
4.3混相流(liú)組分對不(bú)确定度的(de)影響
　　圖5給(gěi)出了不同(tong)混相流組(zǔ)分(即體積(jī)含氣率)時(shi)渦街流量(liàng)計的相對(duì)擴展不确(què)定度。與圖(tú)4中混相流(liu)流量對相(xiang)對擴💜展不(bú)♊确定度的(de)影響相似(si),在體積含(han)氣率爲2.0%~15.0%的(de)實驗範圍(wei)内,渦街流(liú)量計的相(xiàng)對擴展不(bu)确定度比(bi)較均勻地(di)分布🍉于2.5%~3.5%之(zhi)間,體積含(hán)氣率❓與相(xiang)對擴展不(bú)确定度之(zhi)間沒有明(ming)顯的依賴(lai)關系。
 
　　結合(he)圖4和圖5可(ke)見,在保持(chi)渦街流量(liàng)計一定測(ce)量精度的(de)前提下🛀,混(hùn)相流流量(liang)及其體積(jī)含氣率對(dui)渦街流量(liàng)計相💋對不(bú)确定度沒(méi)有明顯的(de)傾向性影(ying)響,即渦街(jiē)流量計相(xiàng)‼️對不确🥵定(ding)度随☔混相(xiàng)流流量及(jí)其體積含(han)氣率🏃‍♂️的分(fèn)布比較均(jun)勻。同㊙️時在(zai)本中，由于(yú)實驗渦街(jiē)流量計的(de)基本不确(què)定度爲1.0%,而(er)測量氣液(yè)混相⭐流時(shi)的總不❄️确(què)定度小于(yú)3.0%,因此,由氣(qì)液混相流(liu)引起的渦(wo)街流量計(jì)附加相對(duì)不确定度(du)小于2.0%。
5結論(lùn)
　　用渦街流(liu)量計測量(liàng)體積含氣(qi)率爲2.0%~15.0%的氣(qi)液混相流(liú)☔的不💛确定(ding)♈度,提出了(le)渦街流量(liàng)計測量氣(qì)液混相流(liu)♍的不🌈确定(ding)度計☀️算式(shi)。實驗以空(kōng)氣和水爲(wèi)介質産生(shēng)氣液混㊙️相(xiang)流,渦街信(xìn)号通過管(guan)壁差壓法(fǎ)采集,渦街(jie)頻率通過(guo)功率譜分(fen)😄析獲得。結(jié)果表明:
(1)在(zài)保持渦街(jie)流量計--定(dìng)測量精度(du)的前提下(xià),混相流流(liu)量及其體(tǐ)積含氣率(lǜ)對渦街流(liu)量計相對(dui)擴展不确(que)定度沒有(you)明顯的傾(qīng)向❄️性影響(xiǎng),即渦街流(liú)量計相🥰對(duì)擴展不确(què)定度随混(hùn)相流流量(liang)及其體積(ji)含氣率的(de)分布比較(jiao)均勻。
(2)在渦(wo)街頻率測(cè)量中由重(zhong)複性、複現(xiàn)性、頻率分(fèn)辨率引起(qǐ)的相對标(biao)準不确定(dìng)度随流量(liàng)的變化趨(qu)勢不相同(tóng)💃,其中由重(zhong)複性和複(fu)❌現性引起(qi)的相對标(biāo)準不确定(ding)度随流量(liang)🌍的變化呈(cheng)現出較強(qiang)的随機性(xìng),而由❤️頻率(lü)分辨率引(yǐn)起的相對(dui)标準不确(que)定度則随(suí)着流量的(de)增加而逐(zhu)漸變小。
(3)在(zài)混相流流(liú)量與體積(ji)含氣率範(fàn)圍.内,由氣(qi)液混相🈲流(liu)引起的渦(wō)街流量計(jì)附加相對(duì)不确定度(du)小于2.0%。

文章(zhang)來源于網(wang)絡,如有侵(qin)權聯系即(ji)删除！