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關于渦街流量計在含氣液體介質測量中的試驗研究
  流动流体中旋涡的出现,是增大流动阻力、造成较大能量损失的重要原因。所以,在流体输送中应尽量避免或减少旋涡产生的机会。但随着人们对旋涡产生和运动规律的认识不断深化,在工程实践中有意识地加以运用,如近年来人们对卡门涡街的旋涡研究取得了新的成果,运用到流量测量中去,便成功地设计制造了卡门渦街流量計,当流体流过阻挡体时会在阻挡体的两侧交替产生旋涡,这种现象称为卡门涡街。20世纪60年代日本首先利用卡门涡街现象研制出渦街流量計,此后渦街流量計由于其诸多优点得以在工业领域广泛应用。
    在单相流体介质条件下对渦街流量計的研究相对比较成熟,研究者通过试验的方法得到了大量有价值的试验结果,并应用到渦街流量計的开发中,使得渦街流量計的测量精度、可靠性得到了很大的提高[2,3]。工业测量中经常会有这样的情况出现:液体管道中有时会混入少量的气体,被测流质变成了气液两相流。由于气液两相流的复杂性,研究这种条件下渦街流量計测量特性的文章不多。西安交通大学的李永光[4-6]曾经在气液两相流的竖直管道上,对不同形状的涡街发生体进行了研究,对不同截面含气率下涡街的结构以及斯特劳哈尔数的变化进行了大量的试验研究,并给出了斯特劳哈尔数随截面含气率而变化的公式。李永光的工作主要是从流体力学的角度对气液两相流中涡街现象的机理进行了研究,其给出的试验结果涉及到截面含气率的测量[4]。本文通过试验从测量的角度,研究了水平管道中含有少量气体的液体条件下渦街流量計测量结果的变化情况,并且测量结果分别用谱分析和脉冲计数两种测量方式得到,通过比较发现在液含气流体条件下谱分析要明显优于脉冲计数的方式。
    1 试验装置与试验方法     1.1 试验装置     试验介质由已测定流量的水和空气组成,分别送入管道混和成气液两相流送入试验管段。试验装置如图1所示。试验装置由空气压缩机、储气罐、蓄水罐、分离罐、流量计、压力变送器、温度变送器、工控机和各种阀门组成。     空气压缩机将空气压缩后送入储气罐,标准流量计1计量气液混合前储气罐送入管道的气体流量。蓄水罐距离地面30m,提供试验所需的液相,其流量由标准流量计2测得。液相和气相经混和器混和后送入试验管段,后流入分离罐将水和空气进行分离,空气由放气阀排出,水由水泵送回蓄水罐循环使用。工控机对所有仪表数据进行采集和显示并对两个电动调节阀进行控制,调节气相和液相的流量。     试验所用的渦街流量計选择了一台应用多的压电式涡街流量传感器,其口径的直径D=50mm。将涡街传感器放置在水平直管段上,其上下游直管段长度分别为30D和20D。压力变送器和温度变送器分别放在涡街流量传感器上游1D和下游10D的位置,混和器安装在渦街流量計上游30D的位置。
渦街流量計安装图
图1 气液两相流试验装置 、1.2 试验方法通过流量计2的测量和调节电动阀2,水的流量取6、8、10、12m3/h四个流量值。通过电动阀1控制,流量计1显示空气注入量的范围为0.3~1.8m3/h,其压力范围为0.4~0.5MPa。     目前工业中应用的渦街流量計大部分是脉冲输出,即将旋涡信号转化为脉冲信号,通过对脉冲信号计数计算出旋涡脱落的频率。脉冲输出的渦街流量計主要的缺点是易受噪声干扰,对于小流量来说由于信号微弱难以与噪声区别。近几年随着数字信号处理技术的发展,出现了以DSP为核心,具有谱分析功能的渦街流量計,这种方法提高了对微弱涡街频率信号的识别[7-8]。考虑到这两种不同类型渦街流量計在工业现场使用,试验中同时用谱分析方法和脉冲计数方法对涡街频率进行计算,并对两种方法进行了比较。渦街流量計的转换电路流程图如图2所示。以5000Hz的频率对A点的模拟信号进行采样,每次采样10组数据,每组数据有5×104个采样点,将得到的采样点进行傅里叶变换得到不同测量点涡街产生的频率,同时通过脉冲计数的方法对B点采样。
渦街流量計
2 渦街流量計的标定
    将渦街流量計在標准水裝置上,分別用頻譜分析和脈沖計數的方法進行標定,流體介質爲水未加氣體,采用的標准傳感器爲精度等級爲0.2級的電磁流量計。在每個流量測量點上的儀表系數用公式(1)計算,然後用式(2)計算得到終儀表系數K。Ql爲被測水的流量值,f爲每一個流量點得到的頻率,k爲每個測量點得到的儀表系數。kmax、kmin分別爲試驗流量範圍內得到的大與小的儀表系數。儀表系數的線性度E1用式(3)來計算。
渦街流量計计算公式
    谱分析和脉冲计数两种不同方法计算出的渦街流量計仪表系数分别为:Ks=10107p/m3;Kc=10143p/m3;计算得到的仪表系数线性度分别为:1.2%和1.5%。图3为仪表系数随水流量值变化的曲线,可以看出,在试验所选流量范围内,仪表系数近似于一个常数,频谱分析的结果与脉冲计数所得到的试验结果差别不大,之间的误差范围为0.109%~0.688%。可见被测介质全部为水时两种测量方法并没有明显的区别。
渦街流量計定律
 3 渦街信號分析
    试验发现,气相的加入对渦街流量計测量的影响显著,谱分析和脉冲计数两种方法随着气相注入的增加其表现也不同。图4反映了水流量12m3/h时,注入不同气含率β时A点的模拟信号,如图4(a~c)所示;经谱分析后得到的频率值,如图4(d~f)所示;用脉冲计数方法得到的脉冲信号,如图4(g~i)所示。图4显示,当注入气量不大时,对渦街流量計的影响不大,无论是谱分析结果还是脉冲计数得到的结果都比较好。当注入的气量进一步增加时,涡街原始信号强度和稳定性逐渐变差,涡街频率信号会被干扰信号所淹没,反映到谱分析图是,涡街频率的谱能量减小,干扰信号的谱能量加强;对于脉冲信号,会因为一些旋涡信号减弱,形成脉冲缺失现象,而不能真实地反映涡街产生的频率。
涡街分析报告
表1反映了不同流量點Ql下,隨著注氣量Qg的增加,渦街發生頻率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範圍時,不能再檢測到渦街信號;在一定水流量下,隨著注氣量的增加譜分析得到的頻率值會變大,這是由于總的體積流量增加了,而脈沖計數法則由于産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勢,它能在較高的含氣量依然能檢測到旋渦脫落的頻率。
分析报告
计算公式
  4 渦街流量計的误差分析
    将试验数据进行处理,得到了渦街流量計测量误差随气相含率变化的情况,如图5所示。其中δs为谱分析方法的测量误差,δc为脉冲计数方法的测量误差。渦街流量計的测量误差用式(4)来计算。其中Qs为装置中标准表测量出的管道总流量,Qt为试验管段中渦街流量計的测量值。将谱分析和脉冲计数得到的频率值和仪表系数分别代入式(5)计算Qt值。从图中可以看出气相含率的增加两种测量方法得到的误差并不相同。当含气率不高时,0<β<6%,谱分析法的平均误差为1.226%,大误差为2.687%,脉冲计数法的平均误差为1.583%,大误差为2.898%,因此谱分析法与脉冲计数法的测量误差区别不大,谱分析没有明显的优势;在气相含率进一步增加时,6%<β<14%,谱分析法的平均误差为3.975%,大误差为14.058%,脉冲计数法的平均误差为20.053%,大误差为33.130%,脉冲计数的方法得到的测量误差远大于谱分析方法。
    含气液体测量误差产生的主要原因是:在气液两相流动中,由于气泡对旋涡发生体的撞击作用,气泡对边界层和旋涡脱落的影响,以及旋涡吸入气泡使其强度减弱,使旋涡脉冲数缺失,缺失的旋涡数不稳定,使脉冲计数方法测量的误差增大,而谱分析的方法在一段时域内得到主频谱作为涡街频率值,减小了旋涡缺失对测量的影响。所以含气液体流体计量中谱分析方法要好于脉冲计数的方法。
分析报告
 5 結束語
    从试验结果来看,渦街流量計在測量混有少量氣體的液體流量時,測量誤差會顯著增加。之所以會出現這樣的情況,一方面,氣體在液體中會形成氣泡,在旋渦發生體的後部形成氣團,並且旋渦中心會出現一個低壓區,吸入大量質量較輕的氣泡,從而削弱了旋渦的能量,使壓電傳感器檢測不到旋渦,導致檢測過程中脈沖缺失現象出現;另一方面,由于旋渦的能量降低,會增加流場本身對旋渦脫落的擾動,進一步增加了測量的誤差。其它方面,旋渦發生體後的氣團,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影響測量的結果。
    通过上述的试验结果及分析表明,单相液体中混入少量的气体时会导致涡街旋涡强度变弱和可靠性变差,在这种条件下测量时谱分析的方法在气含率不大时(0<β<6%)与脉冲计数的方法差别不大,但随着气含率的进一步增加(6%<β<14%),谱分析的方法要好于脉冲计数的方法。

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