橫河渦街流量計在含氣液體測量中的試驗(yàn)研究

HEDLAND流量計  E+H渦街流量計  橫河渦街流量計  當(dāng)流體流過阻擋體時會在阻擋體的兩側(cè)交替產(chǎn)生旋渦，這種現(xiàn)象稱為卡門渦街。20世紀(jì)60年代日本橫河公司首先利用卡門渦街現(xiàn)象研制出渦街流量計，此后渦街流量計由于其諸多優(yōu)點(diǎn)得以在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1]。      

    在單相流體介質(zhì)條件下對渦街流量計的研究相對比較成熟，研究者通過試驗(yàn)的方法得到了大量有價值的試驗(yàn)結(jié)果，并應(yīng)用到渦街流量計的開發(fā)中，使得渦街流量計的測量精度、可靠性得到了很大的提高[2，3]。工業(yè)測量中經(jīng)常會有這樣的情況出現(xiàn)：液體管道中有時會混入少量的氣體，被測流質(zhì)變成了氣液兩相流。由于氣液兩相流的復(fù)雜性，研究這種條件下渦街流量計測量特性的文章不多。西安交通大學(xué)的李永光[4-6]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(jié)構(gòu)以及斯特勞哈爾數(shù)的變化進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，并給出了斯特勞哈爾數(shù)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(xiàn)象的機(jī)理進(jìn)行了研究，其給出的試驗(yàn)結(jié)果涉及到截面含氣率的測量[4]。本文通過試驗(yàn)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渦街流量計測量結(jié)果的變化情況，并且測量結(jié)果分別用譜分析和脈沖計數(shù)兩種測量方式得到，通過比較發(fā)現(xiàn)在液含氣流體條件下譜分析要明顯優(yōu)于脈沖計數(shù)的方式。

    1　試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

    1.1　試驗(yàn)裝置

    試驗(yàn)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(yàn)管段。試驗(yàn)裝置如圖1所示。試驗(yàn)裝置由空氣壓縮機(jī)、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(jī)和各種閥門組成。

    空氣壓縮機(jī)將空氣壓縮后送入儲氣罐，標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)所需的液相，其流量由標(biāo)準(zhǔn)流量計2測得。液相和氣相經(jīng)混和器混和后送入試驗(yàn)管段，zui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(jī)對所有儀表數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和顯示并對兩個電動調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)氣相和液相的流量。

    試驗(yàn)所用的橫河渦街流量計選擇了一臺應(yīng)用zui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，混和器安裝在渦街流量計上游30D的位置。

圖1 氣液兩相流試驗(yàn)裝置

   HEDLAND流量計  E+H渦街流量計  橫河渦街流量計  1.2 試驗(yàn)方法    

    通過流量計2的測量和調(diào)節(jié)電動閥2，水的流量取6、8、10、12m³/h四個流量值。通過電動閥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(yīng)用的渦街流量計大部分是脈沖輸出，即將旋渦信號轉(zhuǎn)化為脈沖信號，通過對脈沖信號計數(shù)計算出旋渦脫落的頻率。脈沖輸出的渦街流量計主要的缺點(diǎn)是易受噪聲干擾，對于小流量來說由于信號微弱難以與噪聲區(qū)別。近幾年隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了以DSP為核心，具有譜分析功能的渦街流量計，這種方法提高了對微弱渦街頻率信號的識別[7-8]。考慮到這兩種不同類型渦街流量計在工業(yè)現(xiàn)場使用，試驗(yàn)中同時用譜分析方法和脈沖計數(shù)方法對渦街頻率進(jìn)行計算，并對兩種方法進(jìn)行了比較。

    渦街流量計的轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)有5×10⁴個采樣點(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，同時通過脈沖計數(shù)的方法對B點(diǎn)采樣。

圖2 渦街流量計電路框圖

    2 渦街流量計的標(biāo)定

    將渦街流量計在標(biāo)準(zhǔn)水裝置上，分別用頻譜分析和脈沖計數(shù)的方法進(jìn)行標(biāo)定，流體介質(zhì)為水未加氣體，采用的標(biāo)準(zhǔn)傳感器為精度等級為0.2級的電磁流量計。在每個流量測量點(diǎn)上的儀表系數(shù)用公式（1）計算，然后用式（2）計算得到zui終儀表系數(shù)K。Q_l為被測水的流量值，f為每一個流量點(diǎn)得到的頻率，k為每個測量點(diǎn)得到的儀表系數(shù)。k_max、k_min分別為試驗(yàn)流量范圍內(nèi)得到的zui大與zui小的儀表系數(shù)。儀表系數(shù)的線性度E₁用式（3）來計算。

    譜分析和脈沖計數(shù)兩種不同方法計算出的渦街流量計儀表系數(shù)分別為：Ks=10107p/m³；Kc=10143p/m³；計算得到的儀表系數(shù)線性度分別為：1.2%和1.5%。圖3為儀表系數(shù)隨水流量值變化的曲線，可以看出，在試驗(yàn)所選流量范圍內(nèi)，儀表系數(shù)近似于一個常數(shù)，頻譜分析的結(jié)果與脈沖計數(shù)所得到的試驗(yàn)結(jié)果差別不大，之間的誤差范圍為0.109%～0.688%。可見被測介質(zhì)全部為水時兩種測量方法并沒有明顯的區(qū)別。

圖3　渦街流量計儀表系數(shù)

 HEDLAND流量計  E+H渦街流量計  橫河渦街流量計    3　渦街信號分析

    試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，氣相的加入對渦街流量計測量的影響顯著，譜分析和脈沖計數(shù)兩種方法隨著氣相注入的增加其表現(xiàn)也不同。圖4反映了水流量12m³/h時，注入不同氣含率β時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(shù)方法得到的脈沖信號，如圖4（g～i）所示。圖4顯示，當(dāng)注入氣量不大時，對渦街流量計的影響不大，無論是譜分析結(jié)果還是脈沖計數(shù)得到的結(jié)果都比較好。當(dāng)注入的氣量進(jìn)一步增加時，渦街原始信號強(qiáng)度和穩(wěn)定性逐漸變差，渦街頻率信號會被干擾信號所淹沒，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(qiáng)；對于脈沖信號，會因?yàn)橐恍┬郎u信號減弱，形成脈沖缺失現(xiàn)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)Q_l下，隨著注氣量Qg的增加，渦街發(fā)生頻率fs和fc的變化情況。結(jié)果顯示，對于不同的水流量，當(dāng)注入的氣體流量增加到一定范圍時，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(shù)法則由于產(chǎn)生脈沖缺失現(xiàn)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(shù)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。

圖4 不同注氣量時頻率信號圖

    4　渦街流量計的誤差分析

    將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到了渦街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(shù)方法的測量誤差。渦街流量計的測量誤差用式（4）來計算。其中Qs為裝置中標(biāo)準(zhǔn)表測量出的管道總流量，Qt為試驗(yàn)管段中渦街流量計的測量值。將譜分析和脈沖計數(shù)得到的頻率值和儀表系數(shù)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(dāng)含氣率不高時，0<β<6%，譜分析法的平均誤差為1.226%，zui大誤差為2.687%，脈沖計數(shù)法的平均誤差為1.583%，zui大誤差為2.898%，因此譜分析法與脈沖計數(shù)法的測量誤差區(qū)別不大，譜分析沒有明顯的優(yōu)勢；在氣相含率進(jìn)一步增加時，6%<β<14%，譜分析法的平均誤差為3.975%，zui大誤差為14.058%，脈沖計數(shù)法的平均誤差為20.053%，zui大誤差為33.130%，脈沖計數(shù)的方法得到的測量誤差遠(yuǎn)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(qiáng)度減弱，使旋渦脈沖數(shù)缺失，缺失的旋渦數(shù)不穩(wěn)定，使脈沖計數(shù)方法測量的誤差增大，而譜分析的方法在一段時域內(nèi)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(shù)的方法。

圖5　不同氣相含率下渦街流量計的測量誤差

   HEDLAND流量計  E+H渦街流量計  橫河渦街流量計   5　結(jié)束語

    從試驗(yàn)結(jié)果來看，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(xiàn)這樣的情況，一方面，氣體在液體中會形成氣泡，在旋渦發(fā)生體的后部形成氣團(tuán)，并且旋渦中心會出現(xiàn)一個低壓區(qū)，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(dǎo)致檢測過程中脈沖缺失現(xiàn)象出現(xiàn)；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(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(tuán)，旋渦中心區(qū)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(jié)果。

    通過上述的試驗(yàn)結(jié)果及分析表明，單相液體中混入少量的氣體時會導(dǎo)致渦街旋渦強(qiáng)度變?nèi)鹾涂煽啃宰儾睿谶@種條件下測量時譜分析的方法在氣含率不大時（0<β<6%）與脈沖計數(shù)的方法差別不大，但隨著氣含率的進(jìn)一步增加（6%<β<14%），譜分析的方法要好于脈沖計數(shù)的方法。HEDLAND流量計  E+H渦街流量計  橫河渦街流量計