摘(zhāi)要:渦街流量(liàng)計 可用于部(bu)分混相流的(de)測量,但迄今(jīn)爲止有關混(hùn)相流對渦街(jiē)流量計測量(liàng)特性的影響(xiang)。在體積含氣(qi)率爲2.0%~15.0%的範圍(wei)内,評定了用(yòng)渦街流量計(ji)測量氣液混(hùn)相流的不确(què)定度,提出渦(wo)街流量計測(ce)量氣液混相(xiàng)流的不确定(dìng)度計算式。實(shi)驗以空氣和(hé)水爲介質産(chan)生氣液混相(xiàng)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(wō)街流量計一(yi)定測量精度(du)的前提下,渦(wō)⛷️街流量計相(xiang)對擴展不确(que)定度随氣液(ye)混相流流量(liang)及其體積含(hán)氣率的分布(bu)比較均勻;在(zài)⛷️渦街頻率測(cè)量的不确定(dìng)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(cheng)現出較強的(de)随機性,而由(yóu)頻率分辨率(lǜ)引起的相對(duì)标準不确定(ding)度則随着流(liú)量的增加而(er)💔減小。在流量(liang)與體積含氣(qi)率範圍内,由(yóu)氣液混相流(liu)引起的渦街(jiē)流量計附加(jia)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(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(gōng)業生産過程(cheng)中,爲了有效(xiao)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(tí)供依據。所以(yi),對⚽于流量測(ce)量方法及儀(yí)表在現代化(hua)生産中顯得(dé)十分🧑🏾‍🤝‍🧑🏼重要。渦(wō)街流量計是(shi)一種基于流(liú)體振動原理(lǐ)的新興流量(liàng)測量儀表，近(jin)年來發展迅(xun)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(shì)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(yin)此,從🏃🏻‍♂️理論上(shàng)講,渦街流量(liàng)💞計除了用于(yu)液🥵體、氣㊙️體和(he)蒸汽流量測(cè)量以外，甚至(zhì)還可以用于(yú)部分混相流(liu)的測量。然而(er),目前關♋于混(hùn)相流對渦街(jiē)流量計的影(yǐng)響,還缺少理(li)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(jie)段.
　　不确定度(dù)是表征合理(lǐ)地賦予被測(cè)量值的分散(san)性,與測量結(jie)果相聯系的(de)參數。不确定(dìng)度是說明測(ce)量水平的主(zhu)要指标，是表(biao)示測量質量(liàng)的重要依據(ju)。不确定度對(dui)科學、工程及(jí)商貿中大量(liang)存在的測量(liang)結果的處理(li)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(bǐ)較少。
　　在對渦(wo)街流量計測(ce)量單相流不(bu)确定度的基(jī)礎上,對🔴測量(liang)模型和算法(fǎ)進行了改進(jìn),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(dui)渦街流量計(jì)不确🛀🏻定度的(de)影響,讨論了(le)各不确定度(du)分量的影響(xiang)因素,由氣液(yè)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(ce)量原理
　　在流(liu)體中垂直于(yú)流向插入一(yī)根非流線型(xing)柱狀物體(即(ji)旋渦發生體(tǐ)),當滿足一定(dìng)條件時,旋渦(wō)發生體的兩(liang)側将出現兩(liǎng)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(jian)稱渦街),它的(de)頻率與流體(ti)平均流速成(cheng)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(dé)流體的流量(liang)。
 
　　式中:ƒ一渦街(jie)頻率;u一流體(ti)平均速度;d一(yi)旋渦發生體(ti)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(te)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(yi)渦街流量計(ji)的儀表系數(shu)。
　　式(3)爲渦街流(liú)量計測量的(de)基本關系式(shi),其中儀表系(xi)數K除了與㊙️旋(xuán)渦發生體、管(guǎn)道的幾何尺(chǐ)寸有關外,還(hai)與斯💋特勞哈(hā)爾🥰數有關。斯(si)特勞哈爾數(shu)爲無量綱參(can)🈲數,它與💯旋渦(wo)發生體形狀(zhuàng)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(pin)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(ti)、蒸汽和部分(fèn)混相流的測(ce)量。
2.2實驗裝置(zhì)和過程
　　實驗(yan)系統如圖1所(suo)示,采用空氣(qi)和水作爲實(shi)驗介，質來産(chan)生混🔞相流。空(kōng)氣和水先分(fèn)别經标準流(liu)量計測量流(liu)量,然後進人(ren)混相器充分(fèn)混合後,再流(liu)經實驗🌈渦街(jie)流🐇量計。實驗(yan)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(wō)街頻率🐆信号(hao)通過管💛壁差(chà)壓法獲取,采(cai)樣頻率爲2500Hz,采(cǎi)樣時間4s,每個(gè)采集的😘時間(jiān)序列包含10000個(gè)數據點，因此(cǐ)頻率分辨率(lǜ)爲0.31Hz。
 
　　空氣标準(zhǔn)流量計采用(yong)不确定度爲(wei)1.0%的渦街流量(liang)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(jiē)流量計所在(zai)處的溫度和(he)壓力也同時(shi)測量,用以補(bǔ)償因管道和(he)混相器的壓(yā)損引起的空(kong)氣和水體積(ji)的變化。經計(jì)算,實驗渦街(jie)流量計處空(kōng)氣流量qva爲0~2.0m³·h-1,水(shuǐ)流📧量爲qvw10.0~18.5m³·h-1,混相(xiàng)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(xiàng)流,實驗在重(zhong)複性條件下(xià)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(que)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(ding)确定,對于混(hun)🏃🏻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(yī)水标準流量(liang)計的示數。
　　因(yin)此,渦街流量(liang)計測量氣液(ye)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(cè)量氣液混相(xiàng)流合成标準(zhun)🌈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(zhong)由重複性、複(fú)現性、頻率分(fèn)辨🈚率引✏️起的(de)相對标準不(bú)确定度。
　　最後(hòu)，可以得到渦(wō)街流量計測(cè)量氣液混相(xiàng)流時,置信概(gai)率爲95%的相對(dui)擴展不确定(ding)度爲:
U(qv)=2Uc(qv)(14)
4實驗結(jie)果與讨論
4.1數(shu)據處理
4實驗(yàn)結果與讨論(lun)
4.1數據處理
　　首(shǒu)先,采用十階(jiē)Butterworth帶通濾波器(qì)對管壁差壓(ya)法檢測的信(xìn)🤩号進👅行處理(lǐ),以消除管道(dao)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(ci)Butterworth濾波器的頻(pín)率帶通範圍(wéi)設置爲3~300Hz。得到(dao)的渦街流量(liàng)計輸出信号(hào)如圖2所示。
　　然(rán)後,對Butterworth濾波器(qì)的輸出信号(hao)進行功率譜(pǔ)分析以獲得(de)渦街🥰頻率🏃🏻。信(xin)号的功率譜(pu)密度反映了(le)信号的功率(lǜ)随頻率的分(fen)布。時域的渦(wō)街信号在渦(wō)街頻率處出(chū)現能量集中(zhōng),所以通過譜(pu)分析方法,将(jiāng)時域的信号(hào)轉化到頻域(yu)，能方便地提(ti)取出渦街頻(pín)🌈率值。把Butterworth濾波(bo)器的輸出信(xin)号x(n)的N點觀察(chá)數據xN(n)視爲一(yi)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(zai)單位圓上等(deng)間隔取值計(jì)算XN(k),由離散傅(fù)裏葉變換可(ke)得:
 
　　将計算得(de)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(fan)圍内渦街流(liu)量計儀表系(xì)數的分布情(qíng)況，如圖3所示(shi)。可以看到,在(zài)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(jiā)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(ding)度分量的計(ji)算式爲:
 
　　式中(zhōng):m,n-在重複性和(he)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(shi)(12)~式(14),得到不同(tong)混相組🎯分(體(ti)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(cóng)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(jiào)均勻地分布(bù)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(yi)🌈定🛀,所以由它(ta)們引人的不(bú)确定度也固(gù)定不變,分别(bié)爲1.0%和0.5%。對于渦(wo)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(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(liu)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(cǎi)用頻率和采(cai)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(jiang)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(gei)出了不同混(hùn)相流組分(即(ji)體積含氣率(lü))時渦街流量(liang)計🍓的相對擴(kuò)展不确定度(du)。與圖4中混相(xiang)流流量對相(xiàng)對擴展不确(que)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(ji)的相對擴展(zhan)不确定度比(bǐ)較均勻地分(fen)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(jié)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(dù)的前提下,混(hun)相流流量及(ji)其體積含氣(qi)率對渦街🌍流(liú)量☁️計相👌對不(bu)确定度沒有(yǒu)明顯的傾向(xiang)性影響,即渦(wo)街流量計相(xiàng)對不确定度(du)随混相流流(liú)量及其體積(jī)含氣率的分(fen)布比📐較均勻(yun)。同時在本中(zhōng)，由于實驗🌈渦(wo)街流量計的(de)基本不确🌈定(dìng)度爲1.0%,而測量(liang)氣液混相✍️流(liu)時的總不确(què)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(jì)附加相對不(bu)确定度小于(yu)2.0%。
5結論
　　用渦街(jie)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(que)定度💃🏻,提出了(le)渦街流量計(ji)測量氣液混(hun)相流的不🈲确(que)定度計算式(shì)。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(guo)表明:
(1)在保持(chí)渦街流量計(jì)--定測量精度(du)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(kuo)展不确定度(dù)沒有明顯的(de)傾向性影響(xiang),即渦街流量(liang)計相對擴展(zhǎn)不确定度随(suí)混🌈相流流量(liàng)及其體積含(hán)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(xiang)同🈲,其中由重(zhòng)複性🔅和複✂️現(xiàn)性引起的相(xiang)對标準不确(que)定度随流量(liang)的變化呈現(xiàn)出較強的随(suí)機性,而由頻(pín)率分辨率引(yin)起的相對标(biao)準不确定度(du)則随着流🤩量(liàng)的增加而逐(zhú)漸變小。
(3)在混(hùn)相流流量與(yu)體積含氣率(lǜ)範圍.内,由氣(qi)液混相流引(yǐn)起的渦街流(liú)量計附加相(xiang)對不确定度(dù)小于2.0%。

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