摘(zhai)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(hun)相♍流對渦街(jie)流量計測量(liang)特性的影響(xiǎng)。在體積含氣(qì)率爲2.0%~15.0%的💃🏻範圍(wei)内,評定了用(yong)渦街流量計(jì)測量氣液混(hùn)相流的不😍确(que)定度✔️,提出渦(wō)街流量👈計測(cè)量氣液混相(xiàng)流的不确定(dìng)⛹🏻‍♀️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(chà)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(wō)街🚩流量計一(yī)定測量♍精度(du)的前提下,渦(wo)街流量計相(xiang)對擴展不确(que)定度随氣液(ye)混相流流量(liàng)及其體積含(han)氣率的分布(bù)比較均勻;在(zai)渦街頻率測(ce)量的不确定(ding)度分量中,由(yóu)重複性🐇和複(fú)現性引起的(de)相對标準不(bú)确♋定度随流(liú)量的變化呈(chéng)現出較強的(de)随機性,而由(you)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(qì)率範圍内,由(yóu)氣🐕液混相流(liu)引起的渦街(jie)流量計附加(jiā)相對不确定(dìng)度小于2.0%。分析(xī)氣液混相流(liu)對渦街流量(liang)計測量特性(xìng)的影響提供(gong)了有益的借(jiè)鑒。
1引言
　　在工(gong)業生産過程(chéng)中,爲了有效(xiào)地指導生産(chǎn)操作和控制(zhi)生産過程,常(chang)常需要檢測(cè)生産過程中(zhōng)各種流動介(jiè)質的流量,以(yi)便爲管理和(he)控制生産提(ti)供依據㊙️。所以(yi),對🥰于流量測(ce)量方法及儀(yi)表在現代化(hua)生産中顯得(dé)十分重要。渦(wō)街流量計是(shì)一種基于👣流(liu)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(wō)街流量計的(de)輸出信🤩号是(shi)與流體平均(jun1)流速成正比(bǐ)的脈沖頻率(lü),不受流體物(wu)性和組分變(biàn)化的影響。因(yīn)此,從理論上(shang)講,渦街流量(liang)計除了用于(yú)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(ér),目前關于☁️混(hun)相流對渦街(jiē)流量計的影(yǐng)響,還缺少理(lǐ)論和實踐經(jīng)驗,雖然開展(zhǎn)了一些渦街(jiē)流量計測量(liàng)混相流方面(mian)的試驗㊙️,但🔴還(hai)處于探💃🏻索階(jiē)段.
　　不确定度(dù)是表征合理(li)地賦予被測(ce)量值的分散(sàn)性,與測量結(jié)果相聯系的(de)參數。不确定(dìng)度是說明測(cè)量水平的主(zhǔ)要指标，是表(biǎo)示測量質量(liang)的重要依據(jù)。不确定度對(dui)科學、工程及(ji)商貿中大量(liang)存在的測量(liang)結果的處理(lǐ)與表示都具(ju)有普遍的指(zhi)導意義。但是(shì),目前對于渦(wo)街流量計不(bu)确定度還比(bǐ)較少。
　　在對渦(wō)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(fa)進行了改進(jin),将其應.用于(yú)氣液混相流(liu)不确定度的(de)💁評定,分析了(le)氣液混相流(liú)流量及其體(ti)☂️積含氣率對(duì)渦街流量計(jì)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(yè)混相🈲流引起(qǐ)的渦街流量(liang)計附加不确(què)定度。
2測量原(yuán)理與實驗
2.1渦(wō)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(xíng)柱狀物體(即(ji)旋渦發生體(ti)),當滿足一定(dìng)條件時,旋渦(wo)發生體的兩(liǎng)側将出現兩(liǎng)排旋轉方向(xiàng)相反、交替産(chan)生的非對稱(cheng)的旋渦列(即(jí)卡門渦街,簡(jian)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(xi)式可以獲得(de)流體的流量(liang)。
 
　　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(tǐ)迎面寬度;D一(yi)管道内徑;
　　U1一(yī)旋渦發生體(tǐ)兩側的平均(jun1)流速;St一斯特(tè)勞哈爾數;m一(yi)旋🧑🏾‍🤝‍🧑🏼渦發生體(ti)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(yi)渦街流量計(ji)的儀表系數(shù)。
　　式(3)爲渦街流(liu)量計測量的(de)基本關系式(shi),其中儀表系(xi)數🈚K除了與旋(xuan)渦發生體、管(guǎn)道的幾何尺(chi)寸有關外,還(hái)💘與斯特勞哈(hā)爾數有關。斯(si)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(you)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(shū)出的脈沖頻(pín)率信号不受(shòu)流體物性和(he)組分變化的(de)影響,可适用(yòng)于液體、氣體(ti)❌、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(yan)系統如圖1所(suǒ)示,采用空氣(qi)和水作爲實(shí)驗介，質來😄産(chan)生混相流。空(kong)氣和水先分(fen)别經标準流(liú)量計測量流(liu)量,然後進👨‍❤️‍👨人(rén)混相器充分(fèn)混合後,再流(liú)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(liu)面💔寬度爲14mm,不(bú)🌈确定度爲1.0%。渦(wo)街頻率🐪信号(hào)通過管壁差(chà)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(cǐ)頻率分🐅辨率(lü)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(liang)計,水标準流(liu)量🔴計采用不(bú)确定度爲0.5%的(de)電磁流量計(jì)。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(hé)混相器的壓(yā)損引起的空(kōng)氣和水體積(jī)的變化。經計(ji)算,實驗渦街(jiē)流量計處空(kong)氣流量qva爲0~2.0m³·h-1,水(shuǐ)流量爲qvw10.0~18.5m³·h-1,混相(xiang)流的體積含(hán)氣率:
 
　　實驗中(zhong)β值爲2.0%~15.0%。對每種(zhong)固定組分(即(ji)體積含氣率(lǜ))的氣液混相(xiang)流,實驗在重(zhong)複性條件下(xia)進行了六次(ci),在複現性條(tiao)件下也進行(hang)了六次。
3測量(liang)模型與不确(què)定度傳播律(lü)
　　對于渦街流(liú)量計,其儀表(biao)系數K必須通(tong)過實流Qv8标定(ding)确定,對于混(hùn)相流的測量(liang),有:
9v8=qvs8+qvsw(6)
　　式中:qvs8一空(kōng)氣标準流量(liàng)計的示數;qvsw一(yi)水标準流量(liang)計的示數。
　　因(yin)此,渦街流量(liàng)計測量氣液(yè)混相流時的(de)測量模型可(kě)以🔞寫成:
qv=F(ƒ,qvs8,qvsw)(7)
　　根據(jù)ISO-GUM和JJF1059-1999的規定,渦(wō)街流量計測(cè)量氣液混相(xiàng)流合成标準(zhun)不确✊定度的(de)傳播律爲:
 
　　式(shi)中:U1(ƒ),U2(ƒ),U3(ƒ)一-在渦街(jie)頻率測量中(zhong)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(hou)，可以得到渦(wo)街流量計測(ce)量氣液混相(xiàng)流時,置信概(gai)率爲95%的相對(dui)擴展不确定(dìng)度爲:
U(qv)=2Uc(qv)(14)
4實驗結(jié)果與讨論
4.1數(shù)據處理
4實驗(yàn)結果與讨論(lun)
4.1數據處理
　　首(shou)先,采用十階(jiē)Butterworth帶通濾波器(qì)對管壁差壓(yā)法檢測的🌈信(xìn)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(yu)⁉️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(liàng)計輸出信号(hào)如圖2所示。
　　然(ran)後,對Butterworth濾波器(qì)的輸出信号(hao)進行功率譜(pu)分析以獲得(de)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(wō)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(pin)率值。把Butterworth濾波(bo)器的輸出信(xin)号x(n)的N點觀察(cha)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(huàn)計算xN(ejɷ),再将ɷ在(zai)單位圓上等(deng)間隔取值計(jì)算XN(k),由離散傅(fu)裏葉變換可(ke)得:
 
　　将計算得(de)到的渦街頻(pin)率和記錄的(de)标準流量計(jì)示⛷️數♋代人☂️式(shi)(4),可得實驗範(fan)圍内渦街流(liú)量計儀表系(xi)數的分♌布情(qíng)況，如圖3所示(shi)。可以看到,在(zai)實驗範圍内(nèi),氣液混相流(liu)對渦街流量(liàng)計儀表❌系數(shu)造成的附加(jia)誤差在±3.0%以内(nei)。
 
4.2不确定度估(gu)計
　　對于某一(yi)固定組分的(de)氣液混相流(liú),其各不确定(ding)度分💯量👉的計(jì)算👈式爲:
 
　　式中(zhong):m,n-在重複性和(hé)複現性條件(jiàn)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(cǐ)将以上計算(suan)結果代人式(shì)(12)~式(14),得到不同(tong)混相組分(體(tǐ)積含氣率)下(xià)渦街流量計(jì)的相對擴展(zhǎn)不确定度與(yǔ)流量的關系(xi)，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(shí)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(liàng)值的大小對(dui)相♌對擴展不(bu)确定度的影(ying)響不顯著。
 
　　由(you)于在實驗過(guo)程中采用的(de)空氣和水标(biao)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(bié)爲1.0%和0.5%。對于渦(wō)街頻💃率的三(sān)個不确定度(du)分量U1(ƒ),U2(ƒ),U3(ƒ),随流量(liang)的變化趨勢(shi)并不相同。在(zài)不同流量下(xià)，U1(ƒ)和U2(ƒ)的變化呈(cheng)現出較強的(de)随機🎯性,這反(fan)映了測量過(guo)⛱️程中的随機(ji)效應。另一方(fang)面,U3(ƒ)則随着❄️流(liú)量的增加✉️而(ér)變小，主要是(shi)由于實驗過(guò)程中信号的(de)頻👣率分辨率(lü)保持爲0.31Hz(由⛹🏻‍♀️采(cai)用頻率和采(cǎi)樣點數決定(ding)),而在流量較(jiao)大時渦街頻(pín)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(fèn)對不确定度(dù)的影響
　　圖5給(gěi)出了不同混(hùn)相流組分(即(jí)體積含氣率(lü))時渦街流☎️量(liàng)計的♊相對擴(kuò)展不确定度(du)。與圖4中混相(xiàng)流流量對相(xiàng)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(nèi),渦街流量計(jì)的相對擴展(zhǎn)不确定🏒度比(bi)較均👨‍❤️‍👨勻地分(fen)布于2.5%~3.5%之間,體(ti)積含氣率與(yu)相對擴🐪展不(bú)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(wō)街流量計一(yī)定測量精度(du)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(bu)🔞确定度沒有(you)明顯的傾向(xiang)性影響,即渦(wo)街流量計相(xiang)對不确💁定度(du)随♻️混相流流(liu)量及其體🐆積(ji)含氣率的分(fen)布比較均勻(yun)。同🆚時在本中(zhōng)，由于實驗🔆渦(wō)街流量計的(de)基本不确定(dìng)度爲1.0%,而測量(liàng)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(hùn)相流引起的(de)渦街流量計(jì)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(lü)爲2.0%~15.0%的氣液混(hun)相流的不确(que)定度,提出了(le)渦街流量計(jì)測量氣液混(hùn)相流的不确(què)定度計算式(shi)。實驗以空氣(qi)和水爲介質(zhì)産生氣液混(hùn)💃🏻相流,渦💘街信(xin)号通過管壁(bi)差壓法采集(jí),渦街頻率通(tong)過功率譜分(fen)❤️析獲得。結❗果(guǒ)表明:
(1)在保持(chí)渦街流量計(ji)--定測量精度(dù)的前提下,混(hun)相流流量及(ji)其體積含氣(qì)率對渦街流(liu)量計相對擴(kuò)展不确定🏃🏻‍♂️度(du)沒有明顯的(de)傾向📱性影響(xiǎng),即渦街流量(liang)計相對擴展(zhǎn)不确定度随(sui)混相流流量(liang)及其體積含(han)氣率的分布(bu)比㊙️較均勻。
(2)在(zài)渦街頻率測(ce)量中由重複(fu)性、複現性、頻(pin)率分辨率引(yǐn)起的相對📧标(biao)準不确定度(du)随流量的變(biàn)化趨勢不相(xiàng)同,其中由重(zhong)複性和複現(xian)性引起的相(xiàng)對标準不确(que)定度随流量(liàng)的變化呈現(xian)出較強的随(suí)機性,而由頻(pín)率分辨🈲率引(yǐn)起的相對标(biāo)準不确定度(dù)⭐則随着流👉量(liàng)的增加而📞逐(zhú)漸變小。
(3)在混(hùn)相流流量與(yǔ)體積含氣率(lü)範圍.内,由氣(qi)液混相流引(yǐn)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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