關(guān)于乙烯流量計在含氣液體介質(zhì)測量中的試驗研究
點(diǎn)擊次數：1625 發(fā)布時(shí)間：2021-01-08 07:19:41
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)乙烯流量計，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)渦街現象研制出乙烯流量計，此后乙烯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)條件下對乙烯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，并應用到乙烯流量計的開(kāi)發(fā)中，使得乙烯流量計的測量精度、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，研究這種條件下乙烯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乙烯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。
試驗所用的乙烯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，混和器安裝在乙烯流量計上游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)中應用的乙烯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。脈沖輸出的乙烯流量計主要的缺點(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，具有譜分析功能的乙烯流量計，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)型乙烯流量計在工業(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。
乙烯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、乙烯流量計的標定
將乙烯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乙烯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，氣相的加入對乙烯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)，對乙烯流量計的影響不大，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、乙烯流量計的誤差分析
將試驗數據進(jìn)行處理，得到了乙烯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。乙烯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為試驗管段中乙烯流量計的測量值。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，乙烯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。
在單相流體介質(zhì)條件下對乙烯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，并應用到乙烯流量計的開(kāi)發(fā)中，使得乙烯流量計的測量精度、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，研究這種條件下乙烯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乙烯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。
試驗所用的乙烯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，混和器安裝在乙烯流量計上游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)中應用的乙烯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。脈沖輸出的乙烯流量計主要的缺點(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，具有譜分析功能的乙烯流量計，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)型乙烯流量計在工業(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。
乙烯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、乙烯流量計的標定
將乙烯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乙烯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，氣相的加入對乙烯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)，對乙烯流量計的影響不大，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、乙烯流量計的誤差分析
將試驗數據進(jìn)行處理，得到了乙烯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。乙烯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為試驗管段中乙烯流量計的測量值。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，乙烯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。