關(guān)于過(guò)熱蒸汽流量計在含氣液體介質(zhì)測量中的試驗研究

流動(dòng)流體中旋渦的出現,是增大流動(dòng)阻力、造成較大能量損失的重要原因。所以,在流體輸送中應盡量避免或減少旋渦產(chǎn)生的機會(huì )。但隨著(zhù)人們對旋渦產(chǎn)生和運動(dòng)規律的認識不斷深化,在工程實(shí)踐中有意識地加以運用,如近年來(lái)人們對卡門(mén)渦街的旋渦研究取得了新的成果,運用到流量測量中去,便成功地設計制造了卡門(mén)過(guò)熱蒸汽流量計，當流體流過(guò)阻擋體時(shí)會(huì )在阻擋體的兩側交替產(chǎn)生旋渦，這種現象稱(chēng)為卡門(mén)渦街。20世紀60年代日本首先利用卡門(mén)渦街現象研制出過(guò)熱蒸汽流量計，此后過(guò)熱蒸汽流量計由于其諸多優(yōu)點(diǎn)得以在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應用。
在單相流體介質(zhì)條件下對過(guò)熱蒸汽流量計的研究相對比較成熟，研究者通過(guò)試驗的方法得到了大量有價(jià)值的試驗結果，并應用到過(guò)熱蒸汽流量計的開(kāi)發(fā)中，使得過(guò)熱蒸汽流量計的測量精度、可靠性得到了很大的提高。工業(yè)測量中經(jīng)常會(huì )有這樣的情況出現：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雜性，研究這種條件下過(guò)熱蒸汽流量計測量特性的文章不多。西安交通大學(xué)的李永光曾經(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構以及斯特勞哈爾數的變化進(jìn)行了大量的試驗研究，并給出了斯特勞哈爾數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象的機理進(jìn)行了研究，其給出的試驗結果涉及到截面含氣率的測量。本文通過(guò)試驗從測量的角度，研究了水平管道中含有少量氣體的液體條件下過(guò)熱蒸汽流量計測量結果的變化情況，并且測量結果分別用譜分析和脈沖計數兩種測量方式得到，通過(guò)比較發(fā)現在液含氣流體條件下譜分析要明顯優(yōu)于脈沖計數的方式。
1、試驗裝置與試驗方法
1.1試驗裝置
試驗介質(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管段。試驗裝置如圖1所示。試驗裝置由空氣壓縮機、儲氣罐、蓄水罐、分離罐、流量計、壓力變送器、溫度變送器、工控機和各種閥門(mén)組成。
空氣壓縮機將空氣壓縮后送入儲氣罐，標準流量計1計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，提供試驗所需的液相，其流量由標準流量計2測得。液相和氣相經(jīng)混和器混和后送入試驗管段，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。工控機對所有儀表數據進(jìn)行采集和顯示并對兩個(gè)電動(dòng)調節閥進(jìn)行控制，調節氣相和液相的流量。
試驗所用的過(guò)熱蒸汽流量計選擇了一臺應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(cháng)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，混和器安裝在過(guò)熱蒸汽流量計上游30D的位置。

圖1 氣液兩相流試驗裝置
1.2 試驗方法
通過(guò)流量計2的測量和調節電動(dòng)閥2，水的流量取6、8、10、12m3/h四個(gè)流量值。通過(guò)電動(dòng)閥1控制，流量計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)中應用的過(guò)熱蒸汽流量計大部分是脈沖輸出，即將旋渦信號轉化為脈沖信號，通過(guò)對脈沖信號計數計算出旋渦脫落的頻率。脈沖輸出的過(guò)熱蒸汽流量計主要的缺點(diǎn)是易受噪聲干擾，對于小流量來(lái)說(shuō)由于信號微弱難以與噪聲區別。近幾年隨著(zhù)數字信號處理技術(shù)的發(fā)展，出現了以DSP為核心，具有譜分析功能的過(guò)熱蒸汽流量計，這種方法提高了對微弱渦街頻率信號的識別?？紤]到這兩種不同類(lèi)型過(guò)熱蒸汽流量計在工業(yè)現場(chǎng)使用，試驗中同時(shí)用譜分析方法和脈沖計數方法對渦街頻率進(jìn)行計算，并對兩種方法進(jìn)行了比較。
過(guò)熱蒸汽流量計的轉換電路流程圖如圖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組數據，每組數據有5×104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(guò)脈沖計數的方法對B點(diǎn)采樣。

2、過(guò)熱蒸汽流量計的標定
將過(guò)熱蒸汽流量計在標準水裝置上，分別用頻譜分析和脈沖計數的方法進(jìn)行標定，流體介質(zhì)為水未加氣體，采用的標準傳感器為精度等級為0.2級的電磁流量計。在每個(gè)流量測量點(diǎn)上的儀表系數用公式（1）計算，然后用式（2）計算得到最終儀表系數K。Ql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。kmax、kmin分別為試驗流量范圍內得到的最大與最小的儀表系數。儀表系數的線(xiàn)性度E1用式（3）來(lái)計算。

譜分析和脈沖計數兩種不同方法計算出的過(guò)熱蒸汽流量計儀表系數分別為：Ks=10107p/m3；Kc=10143p/m3；計算得到的儀表系數線(xiàn)性度分別為：1.2%和1.5%。圖3為儀表系數隨水流量值變化的曲線(xiàn)，可以看出，在試驗所選流量范圍內，儀表系數近似于一個(gè)常數，頻譜分析的結果與脈沖計數所得到的試驗結果差別不大，之間的誤差范圍為0.109%～0.688%?？梢?jiàn)被測介質(zhì)全部為水時(shí)兩種測量方法并沒(méi)有明顯的區別。

3、渦街信號分析
試驗發(fā)現，氣相的加入對過(guò)熱蒸汽流量計測量的影響顯著(zhù)，譜分析和脈沖計數兩種方法隨著(zhù)氣相注入的增加其表現也不同。圖4反映了水流量12m3/h時(shí)，注入不同氣含率β時(shí)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；用脈沖計數方法得到的脈沖信號，如圖4（g～i）所示。圖4顯示，當注入氣量不大時(shí)，對過(guò)熱蒸汽流量計的影響不大，無(wú)論是譜分析結果還是脈沖計數得到的結果都比較好。當注入的氣量進(jìn)一步增加時(shí)，渦街原始信號強度和穩定性逐漸變差，渦街頻率信號會(huì )被干擾信號所淹沒(méi)，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；對于脈沖信號，會(huì )因為一些旋渦信號減弱，形成脈沖缺失現象，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(zhù)注氣量Qg的增加，渦街發(fā)生頻率fs和fc的變化情況。結果顯示，對于不同的水流量，當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；在一定水流量下，隨著(zhù)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，而脈沖計數法則由于產(chǎn)生脈沖缺失現象所得到的頻率值減小。因此在氣液兩相流下，譜分析比脈沖計數法有優(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、過(guò)熱蒸汽流量計的誤差分析
將試驗數據進(jìn)行處理，得到了過(guò)熱蒸汽流量計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為脈沖計數方法的測量誤差。過(guò)熱蒸汽流量計的測量誤差用式（4）來(lái)計算。其中Qs為裝置中標準表測量出的管道總流量，Qt為試驗管段中過(guò)熱蒸汽流量計的測量值。將譜分析和脈沖計數得到的頻率值和儀表系數分別代入式（5）計算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2.687%，脈沖計數法的平均誤差為1.583%，最大誤差為2.898%，因此譜分析法與脈沖計數法的測量誤差區別不大，譜分析沒(méi)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%，脈沖計數法的平均誤差為20.053%，最大誤差為33.130%，脈沖計數的方法得到的測量誤差遠大于譜分析方法。
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度減弱，使旋渦脈沖數缺失，缺失的旋渦數不穩定，使脈沖計數方法測量的誤差增大，而譜分析的方法在一段時(shí)域內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量中譜分析方法要好于脈沖計數的方法。


5、結束語(yǔ)
從試驗結果來(lái)看，過(guò)熱蒸汽流量計在測量混有少量氣體的液體流量時(shí)，測量誤差會(huì )顯著(zhù)增加。之所以會(huì )出現這樣的情況，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，并且旋渦中心會(huì )出現一個(gè)低壓區，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，導致檢測過(guò)程中脈沖缺失現象出現；另一方面，由于旋渦的能量降低，會(huì )增加流場(chǎng)本身對旋渦脫落的擾動(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，旋渦中心區氣泡的含量、旋渦外的氣泡量、氣泡的大小等等都會(huì )影響測量的結果。
通過(guò)上述的試驗結果及分析表明，單相液體中混入少量的氣體時(shí)會(huì )導致渦街旋渦強度變弱和可靠性變差，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%）與脈沖計數的方法差別不大，但隨著(zhù)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數的方法。

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