摘(zhāi)要:渦街流量(liang)計 可用于部(bù)分混相流的(de)測量,但迄今(jīn)爲止有關混(hùn)相流對渦街(jie)流量計測量(liàng)特性的影響(xiǎng)。在體積含氣(qì)率爲2.0%~15.0%的範圍(wéi)☁️内,評🐇定了用(yong)渦街流量計(ji)測量氣液混(hun)相流的不确(què)定度,提出渦(wō)街流量計測(ce)量氣液混相(xiàng)流的不确定(ding)🏃🏻度計算式💚。實(shi)驗以空氣和(he)水爲💯介質産(chan)生氣液混相(xiang)流，渦街信号(hào)通過管壁差(cha)壓法采集,渦(wo)街頻率通過(guò)功率譜分析(xī)獲得。結果表(biao)明在保持🔞渦(wo)街流量計一(yi)定測量♌精度(du)的前提下,渦(wō)街流量計相(xiàng)對擴展不确(què)定度随氣✌️液(ye)混相流流量(liang)及其體積含(han)氣率的分布(bù)‼️比較均勻;在(zài)渦街頻率測(cè)量的不确定(ding)度分量中,由(you)重複性和複(fú)現性引起的(de)相對标準不(bu)确🤩定度随流(liu)量的變化呈(chéng)現出較強的(de)随機性,而由(yóu)頻🏃🏻‍♂️率分辨率(lü)引起的相對(dui)标準不确❌定(ding)度則随着流(liu)量的增加而(er)✔️減小。在流量(liang)與體積含氣(qi)率❓範圍内,由(you)氣液混相流(liu)引起💃的渦街(jie)流量計附加(jiā)相對不确定(ding)🌍度❤️小于2.0%。分析(xi)氣液混相🔞流(liu)對渦街流量(liàng)計測量特性(xìng)的影響提供(gòng)了有益的借(jie)鑒。
1引言
　　在工(gōng)業生産過程(cheng)中,爲了有效(xiào)地指導生産(chan)操作和👣控📧制(zhi)生産過🚶‍♀️程,常(cháng)常需要檢測(ce)生産過程中(zhong)各種流🍉動介(jiè)質的流量🈚,以(yǐ)便爲管理和(he)控制生産提(ti)供依據。所以(yǐ),對于流量測(cè)量方法及儀(yí)表在現代化(huà)生産中顯得(de)十分☁️重要。渦(wo)街流量計是(shi)一種基于流(liú)體振動🔅原理(lǐ)的新興流量(liang)測量儀表，近(jin)年來發展迅(xùn)速,在能源、化(huà)工、冶金等衆(zhong)多過程工程(cheng)領域得到了(le)廣泛應🧑🏽‍🤝‍🧑🏻用。渦(wo)街流量計的(de)輸出信号是(shi)與流🍓體平均(jun)流速成正比(bi)的脈沖頻率(lǜ),不受流體物(wù)性和組分變(bian)化的影響。因(yīn)此,從理論上(shang)講,渦街流量(liang)計除了用于(yu)液體、氣體和(he)蒸汽流量測(cè)量以外，甚至(zhi)還可以用👅于(yu)部分混相流(liú)的測量。然而(er),目前關于混(hùn)相流對渦街(jie)流量計的影(ying)響,還缺少理(li)論和實踐經(jing)🤩驗,雖然開展(zhan)了一些渦街(jie)流量計測量(liàng)混相流方面(miàn)的試驗,但💜還(hái)處于探💃索階(jiē)段.
　　不确定度(du)是表征合理(lǐ)地賦予被測(ce)量值的分散(san)性,與測量結(jié)果相聯系的(de)參數。不确定(dìng)度是說明測(ce)量水平的主(zhǔ)要指标，是表(biao)示測量質量(liang)的重要依據(ju)。不确定度對(duì)科學、工程及(jí)商貿中大量(liang)存在的測量(liàng)結果的處理(lǐ)與表示都具(jù)有普遍的指(zhǐ)導意義。但是(shì),目前對于渦(wo)街流量計不(bu)确定度還比(bi)較少。
　　在對渦(wo)街流量計測(cè)量單相流不(bu)确定度的基(ji)礎上♻️,對測量(liàng)模型和算法(fǎ)進行了改進(jin),将其應.用于(yú)氣液混相流(liú)不确定☀️度的(de)評定,分析了(le)氣液混相流(liú)流量🚶及其體(tǐ)💯積含氣💋率對(duì)渦街流量計(ji)不确定度的(de)影響,讨論了(le)各不确定度(dù)分量的影響(xiǎng)因素,由氣液(ye)混相流引起(qi)的渦街流量(liang)計附加不确(que)定度。
2測量原(yuán)理與實驗
2.1渦(wo)街流量計測(cè)量原理
　　在流(liu)體中垂直于(yu)流向插入一(yī)根非流線型(xing)柱狀物體(即(ji)旋渦發生體(ti)),當滿足一定(dìng)條件時,旋渦(wō)發生體的兩(liang)⁉️側将出現兩(liang)排旋轉方向(xiàng)相反、交替産(chan)生的非對稱(chēng)的旋渦列🔞(即(ji)卡門渦街,簡(jiǎn)稱渦街),它的(de)頻率與流體(ti)平均流速成(chéng)正比，因此,通(tong)過檢測渦街(jiē)的頻率,根據(jù)有關的關系(xì)式可以獲得(de)流體的流量(liàng)。
 
　　式中:ƒ一渦街(jiē)頻率;u一流體(ti)平均速度;d一(yī)旋渦發生體(ti)迎面🌈寬🌏度;D一(yi)管道内徑;
　　U1一(yi)旋渦發生體(tǐ)兩側的平均(jun)流速;St一斯特(tè)勞哈爾數;m一(yi)旋渦發🔴生體(tǐ)兩側弓形面(miàn)積與管道橫(héng)截面面積之(zhi)比。
管道内流(liu)體的體積流(liú)量qv爲:
 
式中:K一(yī)渦街流量計(ji)的儀表系數(shu)。
　　式(3)爲渦街流(liu)量計測量的(de)基本關系式(shì),其中儀表系(xi)數K除🐕了與🈲旋(xuan)渦發生體、管(guan)道的幾何尺(chǐ)寸有關外,還(hái)與斯特勞哈(hā)爾🈲數有關。斯(sī)特勞哈爾數(shu)爲無量綱參(cān)數,它與旋渦(wō)發❗生體形狀(zhuang)及雷諾數有(yǒu)關,在雷諾數(shu)爲5x103~7x106範圍内🆚,St可(kě)視爲常數。渦(wō)街流量計輸(shu)出的脈沖頻(pín)率信号不受(shou)流體物性和(he)組分變化的(de)影響,可适用(yòng)于液體、氣體(tǐ)、蒸🐕汽和部分(fen)混相流的測(ce)量。
2.2實驗裝置(zhi)和過程
　　實驗(yàn)系統如圖1所(suǒ)示,采用空氣(qì)和水作爲實(shí)驗介，質來産(chǎn)生混✊相流。空(kōng)氣和水先分(fèn)别經标準流(liú)量計測量流(liu)量,然後進💘人(rén)混相器充分(fen)混合後,再流(liu)經實驗渦街(jiē)流量計。實驗(yàn)渦街💞流量計(ji)的内徑爲50mm,旋(xuán)渦發生體爲(wei)準梯形,迎流(liú)面寬度爲14mm,不(bu)确定度爲1.0%。渦(wo)街頻率💁信号(hao)通過管壁差(cha)壓法獲☁️取,采(cǎi)樣頻率爲2500Hz,采(cai)樣時間4s,每個(gè)采集的時間(jiān)序列包含10000個(ge)數據點，因此(ci)頻率分辨率(lǜ)爲0.31Hz。
 
　　空氣标準(zhun)流量計采用(yong)不确定度爲(wèi)1.0%的渦街流量(liàng)計,水标♉準流(liu)量計采用不(bu)确定度爲0.5%的(de)電磁流量計(ji)。标準流✨量計(jì)和實🌈驗渦街(jie)流量計所在(zài)處的溫度和(he)壓力也同☎️時(shi)測量,用以補(bu)償因管道和(he)混相器的壓(yā)損引起的空(kōng)氣和水體積(jī)的變化。經計(jì)算,實驗渦街(jiē)流量計處空(kōng)氣流量qva爲0~2.0m³·h-1,水(shui)流量爲qvw10.0~18.5m³·h-1,混相(xiang)流🏃的體積含(han)氣率:
 
　　實驗中(zhōng)β值爲2.0%~15.0%。對每種(zhong)固定組分(即(jí)體積含氣率(lǜ))的氣液混相(xiàng)流,實驗在重(zhong)複性條件下(xia)進行了六次(cì),在複現性條(tiao)件下也進行(háng)了六次。
3測量(liàng)模型與不确(què)定度傳播律(lü)
　　對于渦街流(liu)量計,其儀表(biǎo)系數K必須通(tong)過實流Qv8标定(dìng)确定,對💞于混(hùn)相流的測量(liàng),有:
9v8=qvs8+qvsw(6)
　　式中:qvs8一空(kōng)氣标準流量(liàng)計的示數;qvsw一(yī)水标準流量(liang)計的示🚶數。
　　因(yīn)此,渦街流量(liang)計測量氣液(yè)混相流時的(de)測量模型㊙️可(ke)以寫🚶‍♀️成:
qv=F(ƒ,qvs8,qvsw)(7)
　　根據(ju)ISO-GUM和JJF1059-1999的規定,渦(wō)街流量計測(ce)量氣液混相(xiang)流合成标🌐準(zhǔn)不✨确🔴定度的(de)傳播律爲:
 
　　式(shì)中:U1(ƒ),U2(ƒ),U3(ƒ)一-在渦街(jiē)頻率測量中(zhōng)由重複性、複(fú)現性、頻率分(fèn)辨率引起的(de)相對标準不(bu)确定度。
　　最後(hòu)，可以得到渦(wō)街流量計測(ce)量氣液混相(xiàng)流時,置🔞信概(gài)率爲95%的相對(duì)擴展不确定(ding)度爲:
U(qv)=2Uc(qv)(14)
4實驗結(jié)果與讨論
4.1數(shu)據處理
4實驗(yan)結果與讨論(lùn)
4.1數據處理
　　首(shou)先,采用十階(jiē)Butterworth帶通濾波器(qi)對管壁差壓(yā)法檢測的信(xin)号進行處理(lǐ),以消除管道(dào)振動和流體(tǐ)湍動等幹☔擾(rǎo)的影響✔️。由于(yú)😍在實驗流量(liang)範圍内渦街(jiē)頻率爲10~60Hz,因此(cǐ)Butterworth濾波💘器的頻(pín)率帶通範圍(wei)設置爲3~300Hz。得⭐到(dào)的渦街流量(liang)計輸出👌信号(hào)如圖2所示。
　　然(rán)後,對Butterworth濾波器(qi)的輸出信号(hào)進行功率譜(pǔ)分析以獲得(dé)渦🚶‍♀️街頻率。信(xin)号的功率譜(pǔ)密度反映了(le)信号的功率(lü)随頻率的分(fèn)布。時域的渦(wo)街信号在渦(wo)街頻率處出(chū)現能量集中(zhong),所以通過譜(pǔ)分💯析方法,将(jiāng)時域的信号(hao)轉化到頻域(yu)，能方便地提(tí)取出渦街頻(pín)率值。把Butterworth濾波(bō)器的輸出信(xin)号x(n)的N點觀察(chá)數據xN(n)視爲一(yī)能量有限信(xìn)号,直接取xN(n)的(de)🌐傅裏葉變換(huan)計算xN(ejɷ),再将ɷ在(zài)單位圓上等(děng)間隔取🤟值計(ji)算XN(k),由離散傅(fù)裏葉變換可(kě)得:
 
　　将計算得(dé)到的渦街頻(pín)率和記錄的(de)标準流量計(ji)示數代人😘式(shì)(4),可⛱️得實驗範(fàn)圍内渦街流(liú)量計儀表系(xi)數的分布情(qíng)況，如圖3所示(shì)。可⁉️以看到,在(zai)實驗範圍内(nèi),氣液混相🏃流(liú)對渦街流量(liang)計儀表系數(shu)造成的附加(jia)誤差在±3.0%以内(nèi)。
 
4.2不确定度估(gu)計
　　對于某一(yī)固定組分的(de)氣液混相流(liú),其各不确定(dìng)度分量💚的計(jì)👉算式爲:
 
　　式中(zhōng):m,n-在重複性和(he)複現性條件(jian)下的實驗次(ci)數,m=1,2,..,6,n=1,2,.,6。
　　由于U(qvs8)=1.0%,U(qvsw)=0.5%,因此(ci)将以上計算(suàn)結果代人式(shì)(12)~式(14),得到不同(tóng)混相💋組分(體(tǐ)積含氣率)下(xià)渦街流量計(ji)的相對擴展(zhan)不☀️确定度與(yu)流量的關系(xì)，如圖4所示。從(cong)圖中可以看(kan)到,在混相流(liú)流量🆚爲10.0~20.0m3/h的實(shi)驗範圍内,渦(wō)街⁉️流量計的(de)相對擴展不(bú)确定度比‼️較(jiao)均勻地💜分布(bu)于2.5%~3.5%之間，流量(liang)值‼️的大小對(duì)相對擴展不(bu)确💰定度的影(ying)響不顯著。
 
　　由(yóu)于在實驗過(guò)程中采用的(de)空氣和水标(biāo)準流量計一(yī)💃定,所以由它(ta)們引人的不(bu)确定度也固(gu)定不變,分别(bie)爲1.0%和0.5%。對于渦(wo)街頻率的三(sān)個不确定度(dù)分量U1(ƒ),U2(ƒ),U3(ƒ),随流量(liang)的變化趨勢(shì)并不相同。在(zai)不同流量下(xià)，U1(ƒ)和U2(ƒ)的變化呈(chéng)現出較📧強的(de)随機性,這反(fan)映了測量過(guò)💋程中的随機(jī)效應。另一方(fāng)面,U3(ƒ)則随着🔅流(liú)量的增加而(er)變小，主要是(shi)由于實驗過(guo)程中信号的(de)頻率分辨率(lǜ)保持爲0.31Hz(由采(cai)用頻率和采(cǎi)樣📱點數決定(dìng)),而在流量較(jiào)大時渦街頻(pin)率也較大,根(gēn)據式👨‍❤️‍👨(19)可知U3(ƒ)将(jiāng)随着流量的(de)增加而減小(xiǎo)。
4.3混相流組分(fen)對不确定度(dù)的影響
　　圖5給(gei)出了不同混(hun)相流組分(即(ji)體積含氣率(lǜ))時渦街流量(liang)🤟計的💰相對擴(kuo)展不确定度(du)。與圖4中混相(xiàng)流流量對相(xiang)對擴🔞展不确(què)定度的㊙️影響(xiang)相似,在體積(ji)含氣率爲2.0%~15.0%的(de)實驗範圍内(nei),渦街流量計(jì)的相對擴展(zhan)不确定度比(bǐ)較均勻地分(fèn)布于2.5%~3.5%之間,體(tǐ)積含氣率與(yǔ)相對擴🔞展不(bu)确定度之間(jian)沒有明顯的(de)依賴關系。
 
　　結(jie)合圖4和圖5可(ke)見,在保持渦(wo)街流量計一(yī)定測量精度(dù)的前提❗下,混(hun)相流流量及(jí)其體積含氣(qi)率對渦街流(liú)量♌計相對不(bú)确定度沒有(you)明顯的傾向(xiang)性影響,即渦(wō)街流量計相(xiang)對不确定度(dù)随混相流流(liu)量及其體積(jī)含氣率的分(fèn)布比較均勻(yun)。同時在本中(zhong)🐇，由于實驗🌈渦(wo)街流量計的(de)基本不确定(ding)度爲1.0%,而測量(liang)氣液混相流(liú)時的總不确(que)定度小于3.0%,因(yin)此,由氣液混(hun)相流引起的(de)渦街流量計(ji)附✏️加相對🔅不(bú)确定度小于(yu)2.0%。
5結論
　　用渦街(jiē)流量計測量(liàng)體積含氣率(lǜ)爲2.0%~15.0%的氣液混(hun)相流的不🥰确(què)定度,提出了(le)渦街流量計(jì)測量氣液混(hùn)相流的不确(que)定度計🤟算式(shi)。實驗以空氣(qi)和水爲介質(zhì)産生💋氣液混(hun)相流,渦街信(xin)号通過管壁(bi)差壓法采集(ji),渦街頻率通(tong)過功率譜分(fen)析獲得。結果(guǒ)表明:
(1)在保持(chi)渦街流量計(ji)--定測量精度(du)的前提下,混(hùn)相流流量及(ji)其🐇體積含氣(qì)率對渦街流(liu)量計相對擴(kuo)展不⁉️确定⭐度(du)沒有明顯的(de)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻傾向性影響(xiang),即渦街流量(liang)計相對擴展(zhan)不确定度随(suí)混相流流量(liang)及其體積含(han)氣率的分布(bù)比較均勻。
(2)在(zai)渦街頻率測(cè)量中由重複(fú)性、複現性、頻(pin)率分辨率🙇🏻引(yin)🔴起的相👄對标(biao)準不确定度(du)随流量的變(bian)化趨勢不相(xiang)同,其中由重(zhòng)複性和複現(xian)性引起的相(xiàng)對标準不确(que)定度随流量(liang)的變化呈現(xiàn)出較強的☂️随(sui)機性,而由頻(pin)率分辨率引(yin)起的🌈相對标(biao)準不确定度(dù)則随着流量(liang)的增加而逐(zhú)漸變小。
(3)在混(hun)相流流量與(yǔ)體積含氣率(lü)範圍.内,由氣(qì)液混相流引(yin)起的✉️渦街流(liú)量計附加相(xiàng)對不确定度(du)小于2.0%。

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