摘(zhai)要:渦街流(liu)量(liang)計 可用(yong)于部分混(hun)相流的測量(liang),但(dan)迄今(jin)爲止有關混相(xiang)流對(dui)渦街流量(liang)計測量特(te)性的(de)影響(xiang)。在體積含(han)氣率爲2.0%~15.0%的(de)範圍内,評(ping)定(ding)了(le)用渦(wo)街流量(liang)計(ji)測量(liang)氣液(ye)混相流的(de)不确定(ding)度(du),提出渦街流(liu)量計測(ce)量氣(qi)液混(hun)相流(liu)的不确定度計(ji)算式。實驗(yan)以空(kong)氣和(he)水(shui)爲介質(zhi)産生(sheng)氣(qi)液(ye)混相流，渦(wo)街信号通(tong)過管(guan)壁差(cha)壓法采集(ji),渦(wo)街(jie)頻率(lü)通過(guo)功率(lü)譜分(fen)析獲得(de)。結果表(biao)明在(zai)保持(chi)渦街(jie)流量(liang)計(ji)一定測(ce)量精(jing)度的(de)前提下,渦(wo)街流量計(ji)相對擴(kuo)展(zhan)不确(que)定度(du)随(sui)氣(qi)液混(hun)相流(liu)流(liu)量(liang)及其體積(ji)含(han)氣率的(de)分布(bu)比較均勻(yun);在渦(wo)街頻(pin)率測(ce)量的不(bu)确定度分量(liang)中,由(you)重複(fu)性和(he)複(fu)現(xian)性引(yin)起的(de)相對标準(zhun)不确(que)定(ding)度(du)随流(liu)量的變化(hua)呈現(xian)出較強的(de)随機(ji)性,而(er)由(you)頻率分(fen)辨率引(yin)起(qi)的相(xiang)對标準不(bu)确定(ding)度則(ze)随着流量(liang)的增(zeng)加而減小(xiao)。在流量(liang)與體積(ji)含氣率範圍内(nei),由氣液混相流引起的渦街流(liu)量計附(fu)加(jia)相對不确定度小于(yu)2.0%。分析氣(qi)液混相流對(dui)渦(wo)街流量(liang)計測量特性的(de)影響(xiang)提供了有(you)益的借鑒(jian)。
1引言(yan)
　　在工(gong)業生産過(guo)程中(zhong),爲了有效地指(zhi)導生産操(cao)作和控(kong)制(zhi)生産過程,常(chang)常需要(yao)檢測生産(chan)過程中各(ge)種(zhong)流動介(jie)質的流(liu)量,以便爲管理和(he)控制(zhi)生産提(ti)供依據(ju)。所以,對于流量(liang)測量方法及儀表在現代(dai)化生(sheng)産中顯得(de)十分(fen)重要(yao)。渦(wo)街流量(liang)計是一種(zhong)基于(yu)流體振動原理(li)的新興(xing)流量測量儀(yi)表，近年來(lai)發展迅速(su),在能(neng)源、化(hua)工、冶金等(deng)衆多(duo)過程(cheng)工程(cheng)領域(yu)得到(dao)了廣(guang)泛應用。渦街流(liu)量計(ji)的(de)輸出信(xin)号是(shi)與(yu)流體平均流(liu)速成(cheng)正比(bi)的脈沖頻(pin)率,不受流體(ti)物性和(he)組分變化的影(ying)響。因此,從理論(lun)上講,渦街(jie)流量計除(chu)了(le)用(yong)于液(ye)體、氣體和(he)蒸汽(qi)流量測(ce)量以外(wai)，甚至還可以用(yong)于部分混(hun)相流(liu)的測量。然(ran)而,目(mu)前關(guan)于混(hun)相流(liu)對渦(wo)街流(liu)量計的影(ying)響(xiang),還(hai)缺少(shao)理論(lun)和實踐經驗,雖然(ran)開展了(le)一些渦街流量計測(ce)量混(hun)相流(liu)方面(mian)的試(shi)驗,但還處(chu)于探索階(jie)段.
　　不确(que)定(ding)度是表征(zheng)合理地賦(fu)予被(bei)測量(liang)值的分散(san)性,與(yu)測量(liang)結果相聯系的(de)參數(shu)。不(bu)确定度(du)是說明測(ce)量水(shui)平的主(zhu)要指标(biao)，是表示測量質量的(de)重要依據(ju)。不确(que)定(ding)度(du)對科學、工程及商貿(mao)中大(da)量存在的(de)測量(liang)結果的處(chu)理與表示(shi)都具(ju)有普遍的指導(dao)意義。但(dan)是(shi),目前(qian)對于(yu)渦街流量(liang)計不确定度還(hai)比較少。
　　在對渦(wo)街流量計(ji)測量單相(xiang)流不确定(ding)度的基礎上,對(dui)測量(liang)模(mo)型和算(suan)法進行了(le)改進(jin),将其(qi)應.用于氣(qi)液混相(xiang)流(liu)不确定度的(de)評定,分(fen)析了氣液(ye)混相流流(liu)量及(ji)其體(ti)積含氣率(lü)對渦(wo)街流(liu)量計不确(que)定度的影響,讨(tao)論了(le)各不确定(ding)度分(fen)量的(de)影響因素,由氣(qi)液混(hun)相流(liu)引起(qi)的渦街流量計附加(jia)不确(que)定度(du)。
2測量(liang)原理(li)與(yu)實驗
2.1渦(wo)街流量計(ji)測量原理(li)
　　在(zai)流體中(zhong)垂直于(yu)流向插(cha)入一(yi)根非(fei)流線(xian)型柱(zhu)狀物(wu)體(即(ji)旋渦(wo)發(fa)生體),當(dang)滿足一定(ding)條件時,旋(xuan)渦發(fa)生體(ti)的兩側将出現(xian)兩排旋轉方向(xiang)相反(fan)、交替産生(sheng)的非(fei)對稱的旋(xuan)渦列(即卡(ka)門渦(wo)街,簡(jian)稱渦(wo)街),它(ta)的頻率與(yu)流體(ti)平均(jun)流(liu)速成正(zheng)比，因此,通(tong)過檢(jian)測渦(wo)街(jie)的頻率(lü),根據(ju)有關的關(guan)系式可以(yi)獲得(de)流體的流(liu)量。
 
　　式中:ƒ一(yi)渦(wo)街頻率(lü);u一流(liu)體平(ping)均速度;d一(yi)旋(xuan)渦發生(sheng)體迎(ying)面(mian)寬(kuan)度;D一(yi)管道(dao)内徑;
　　U1一旋(xuan)渦發(fa)生體(ti)兩側(ce)的平(ping)均流速;St一(yi)斯特勞哈爾數;m一旋(xuan)渦發生體(ti)兩側弓形(xing)面積(ji)與管(guan)道橫截面(mian)面積(ji)之(zhi)比(bi)。
管道(dao)内流體的(de)體積(ji)流量(liang)qv爲:
 
式(shi)中:K一渦街流量(liang)計的(de)儀表系(xi)數(shu)。
　　式(3)爲(wei)渦街(jie)流量計測(ce)量的(de)基本(ben)關系(xi)式,其中儀表系(xi)數K除了與(yu)旋渦(wo)發生(sheng)體、管(guan)道的(de)幾何尺寸(cun)有關(guan)外,還與(yu)斯(si)特勞(lao)哈爾數有(you)關。斯特勞哈爾數爲(wei)無量綱(gang)參(can)數,它與旋渦(wo)發生體(ti)形狀及(ji)雷諾數(shu)有關(guan),在雷諾數(shu)爲5x103~7x106範圍(wei)内(nei),St可視(shi)爲常(chang)數。渦(wo)街流(liu)量計輸(shu)出(chu)的脈(mo)沖頻(pin)率(lü)信号不(bu)受流(liu)體物(wu)性和(he)組分(fen)變(bian)化的影(ying)響,可适用(yong)于液體、氣(qi)體、蒸汽和(he)部分混相流的測量。
2.2實驗裝置(zhi)和過(guo)程(cheng)
　　實驗系統如(ru)圖(tu)1所示,采(cai)用空氣(qi)和(he)水作(zuo)爲實(shi)驗介，質來(lai)産生混(hun)相(xiang)流。空氣和(he)水先分别(bie)經标(biao)準(zhun)流(liu)量計(ji)測量(liang)流(liu)量(liang),然後(hou)進人混相(xiang)器充(chong)分混(hun)合後(hou),再流(liu)經實(shi)驗(yan)渦(wo)街流(liu)量計。實驗渦街(jie)流量計的内徑(jing)爲50mm,旋(xuan)渦發生體(ti)爲準梯形(xing),迎流面寬(kuan)度爲14mm,不确(que)定度(du)爲1.0%。渦街頻率信(xin)号通(tong)過管(guan)壁差(cha)壓(ya)法獲取(qu),采樣(yang)頻率爲2500Hz,采(cai)樣時(shi)間(jian)4s,每(mei)個采(cai)集的(de)時間序列(lie)包含(han)10000個數據點(dian)，因此(ci)頻(pin)率分辨(bian)率爲(wei)0.31Hz。
 
　　空(kong)氣(qi)标準流量計采(cai)用不(bu)确定(ding)度爲1.0%的渦街流量計,水标(biao)準流量計(ji)采用(yong)不确(que)定度(du)爲0.5%的(de)電磁流量計。标(biao)準流量(liang)計和實(shi)驗渦街流(liu)量計所在處的溫度(du)和壓(ya)力(li)也同時(shi)測量(liang),用(yong)以(yi)補償(chang)因管道和(he)混相器的壓損引起(qi)的空(kong)氣和(he)水體(ti)積的(de)變(bian)化(hua)。經計(ji)算,實(shi)驗渦(wo)街流量計(ji)處空氣流(liu)量qva爲0~2.0m³·h-1,水流(liu)量爲(wei)qvw10.0~18.5m³·h-1,混相(xiang)流的體積(ji)含氣(qi)率:
 
　　實驗中(zhong)β值爲2.0%~15.0%。對每種固(gu)定組分(fen)(即(ji)體積(ji)含氣率)的氣液(ye)混相流(liu),實(shi)驗在重複(fu)性(xing)條(tiao)件下(xia)進行了六(liu)次,在(zai)複現(xian)性(xing)條件下(xia)也進行(hang)了六次(ci)。
3測量模(mo)型與不(bu)确定度傳(chuan)播律
　　對于渦街流量(liang)計,其儀表系數(shu)K必須通(tong)過(guo)實流(liu)Qv8标定确定(ding),對于混相(xiang)流的測量(liang),有:
9v8=qvs8+qvsw(6)
　　式(shi)中:qvs8一(yi)空氣标準流量計的(de)示數(shu);qvsw一水(shui)标準(zhun)流量計(ji)的示數(shu)。
　　因此,渦街(jie)流量計測(ce)量氣(qi)液混(hun)相流(liu)時的(de)測量(liang)模型可以寫成(cheng):
qv=F(ƒ,qvs8,qvsw)(7)
　　根據ISO-GUM和(he)JJF1059-1999的(de)規定,渦街流量計測(ce)量氣液(ye)混(hun)相流(liu)合成(cheng)标準不确(que)定度的(de)傳(chuan)播律(lü)爲:
 
　　式中:U1(ƒ),U2(ƒ),U3(ƒ)一-在渦(wo)街頻率測(ce)量中(zhong)由重複性、複現(xian)性、頻(pin)率(lü)分(fen)辨率引起(qi)的相對标(biao)準不确(que)定(ding)度。
　　最後，可以(yi)得到渦(wo)街流量計(ji)測量(liang)氣液混(hun)相(xiang)流時(shi),置信(xin)概(gai)率(lü)爲95%的相對(dui)擴(kuo)展(zhan)不确(que)定度爲(wei):
U(qv)=2Uc(qv)(14)
4實(shi)驗結(jie)果與讨(tao)論
4.1數據(ju)處理(li)
4實(shi)驗(yan)結果與讨論(lun)
4.1數(shu)據處(chu)理
　　首(shou)先(xian),采用十(shi)階Butterworth帶(dai)通濾波器(qi)對管壁(bi)差壓法(fa)檢測(ce)的信号進(jin)行處理(li),以消除管道(dao)振動和流(liu)體湍動等(deng)幹擾的影響。由(you)于在(zai)實驗(yan)流量範圍内渦街頻率爲(wei)10~60Hz,因此(ci)Butterworth濾波器的頻率帶通範圍(wei)設置爲(wei)3~300Hz。得到的(de)渦街(jie)流量計輸(shu)出信号如圖2所(suo)示。
　　然(ran)後,對Butterworth濾波(bo)器的輸(shu)出信号(hao)進行(hang)功率譜分(fen)析以獲得渦街(jie)頻率。信号(hao)的功(gong)率譜(pu)密(mi)度(du)反映(ying)了信(xin)号的功率(lü)随頻(pin)率的分布。時域的(de)渦街信(xin)号在(zai)渦(wo)街(jie)頻率處出現(xian)能(neng)量集(ji)中,所(suo)以(yi)通(tong)過譜分析(xi)方法,将時(shi)域的信号轉化(hua)到頻(pin)域，能方便(bian)地提取(qu)出(chu)渦街(jie)頻率值。把(ba)Butterworth濾波(bo)器的輸(shu)出(chu)信号(hao)x(n)的N點(dian)觀察數據(ju)xN(n)視爲一能量有(you)限信(xin)号,直(zhi)接取(qu)xN(n)的傅(fu)裏(li)葉變換(huan)計算(suan)xN(ejɷ),再将(jiang)ɷ在單(dan)位圓上等(deng)間隔(ge)取值(zhi)計算(suan)XN(k),由離(li)散傅裏葉(ye)變換(huan)可得:
 
　　将計算得(de)到的(de)渦(wo)街(jie)頻率和記錄的标準(zhun)流量計示數代人式(4),可得實驗(yan)範圍内渦(wo)街流(liu)量計儀(yi)表(biao)系數(shu)的分布(bu)情(qing)況，如(ru)圖3所(suo)示。可(ke)以看(kan)到,在(zai)實驗範圍(wei)内,氣(qi)液混相流(liu)對渦(wo)街流(liu)量計(ji)儀表系(xi)數(shu)造成(cheng)的附加誤差在(zai)±3.0%以内。
 
4.2不确定度(du)估計
　　對(dui)于某一(yi)固定(ding)組分的氣(qi)液混相流(liu),其各(ge)不确(que)定度(du)分量(liang)的計算式(shi)爲:
 
　　式(shi)中:m,n-在重複性和(he)複現性條件下(xia)的實(shi)驗(yan)次數,m=1,2,..,6,n=1,2,.,6。
　　由(you)于U(qvs8)=1.0%,U(qvsw)=0.5%,因(yin)此将(jiang)以上(shang)計算(suan)結(jie)果代人(ren)式(12)~式(14),得到(dao)不同(tong)混相(xiang)組分(fen)(體積(ji)含氣(qi)率)下(xia)渦街流量(liang)計的相對(dui)擴展不确定度(du)與流(liu)量(liang)的(de)關系(xi)，如圖4所示(shi)。從圖(tu)中可(ke)以看到,在(zai)混相流流(liu)量爲(wei)10.0~20.0m3/h的實(shi)驗(yan)範(fan)圍内(nei),渦街流量計的(de)相對(dui)擴展不确(que)定度(du)比較均勻(yun)地分(fen)布于2.5%~3.5%之間(jian)，流量值的(de)大小(xiao)對相對擴展不(bu)确定度的(de)影響(xiang)不顯(xian)著(zhe)。
 
　　由于在(zai)實驗過(guo)程(cheng)中采(cai)用的空氣(qi)和水(shui)标準流量(liang)計一(yi)定,所(suo)以由(you)它們(men)引人(ren)的(de)不(bu)确定度也(ye)固定不變(bian),分别爲(wei)1.0%和(he)0.5%。對于(yu)渦街(jie)頻率的三(san)個不(bu)确定(ding)度分(fen)量U1(ƒ),U2(ƒ),U3(ƒ),随(sui)流量的變(bian)化趨勢(shi)并(bing)不相(xiang)同。在不同流量(liang)下，U1(ƒ)和U2(ƒ)的變(bian)化呈(cheng)現出(chu)較強(qiang)的随(sui)機性,這反(fan)映了測量(liang)過程(cheng)中的(de)随機效應(ying)。另一(yi)方面(mian),U3(ƒ)則随着流(liu)量的增加(jia)而變小，主(zhu)要是(shi)由于(yu)實驗過程中信号的(de)頻率分辨(bian)率保持爲0.31Hz(由采(cai)用頻(pin)率和采樣(yang)點數決定(ding)),而在(zai)流量較(jiao)大(da)時渦(wo)街頻率(lü)也(ye)較大,根據(ju)式(19)可知U3(ƒ)将(jiang)随着流量(liang)的增加而(er)減(jian)小。
4.3混相(xiang)流組分對(dui)不确(que)定度的影(ying)響
　　圖(tu)5給出(chu)了不(bu)同混相流(liu)組分(即體(ti)積含(han)氣率(lü))時渦(wo)街流量計的相(xiang)對擴(kuo)展不(bu)确定(ding)度。與(yu)圖4中(zhong)混相(xiang)流流(liu)量對(dui)相對(dui)擴展(zhan)不(bu)确定度(du)的影(ying)響相(xiang)似,在體積含(han)氣率爲(wei)2.0%~15.0%的實驗範(fan)圍内(nei),渦街(jie)流量(liang)計的(de)相對(dui)擴展不确(que)定度(du)比較均勻(yun)地分布于2.5%~3.5%之間,體積(ji)含氣(qi)率與(yu)相對擴(kuo)展(zhan)不确(que)定度(du)之間沒有(you)明顯的依(yi)賴關(guan)系。
 
　　結(jie)合(he)圖4和圖(tu)5可見,在(zai)保持渦(wo)街流(liu)量計一定(ding)測量精(jing)度(du)的前提下(xia),混相流流(liu)量及(ji)其體積含(han)氣率(lü)對渦(wo)街流(liu)量計相對(dui)不确(que)定度(du)沒(mei)有明顯(xian)的傾向性(xing)影響,即渦(wo)街流量計(ji)相對不确(que)定度随混相(xiang)流流量(liang)及其體(ti)積含氣(qi)率的(de)分(fen)布比較(jiao)均勻。同(tong)時(shi)在本中，由于實驗渦(wo)街流量計的基(ji)本不(bu)确定度爲(wei)1.0%,而測量氣液混相流(liu)時(shi)的總不(bu)确定度小(xiao)于3.0%,因(yin)此,由氣液混相(xiang)流引(yin)起(qi)的(de)渦街(jie)流量(liang)計附加相(xiang)對不(bu)确定度小(xiao)于2.0%。
5結(jie)論
　　用渦街(jie)流量(liang)計測(ce)量體(ti)積含(han)氣率(lü)爲2.0%~15.0%的(de)氣液混相(xiang)流的不确(que)定度,提出(chu)了渦街流量計測量(liang)氣液(ye)混相(xiang)流的(de)不确(que)定度計算(suan)式。實驗以(yi)空氣(qi)和水(shui)爲介質産(chan)生氣液混(hun)相流(liu),渦街(jie)信号(hao)通過(guo)管壁(bi)差壓(ya)法采集,渦(wo)街頻(pin)率通(tong)過功率譜(pu)分析(xi)獲(huo)得。結果(guo)表明:
(1)在(zai)保持渦(wo)街流量(liang)計(ji)--定測量精度(du)的前提(ti)下,混相流(liu)流量(liang)及其(qi)體(ti)積含氣(qi)率對(dui)渦(wo)街(jie)流量計相對擴(kuo)展不(bu)确定度沒(mei)有明顯的(de)傾向性影(ying)響,即渦街(jie)流量(liang)計相(xiang)對擴(kuo)展不(bu)确定(ding)度(du)随(sui)混相(xiang)流流(liu)量及(ji)其體(ti)積含氣率的分(fen)布比(bi)較均勻。
(2)在(zai)渦街頻率(lü)測量中由(you)重(zhong)複性、複(fu)現性、頻率(lü)分辨(bian)率引起的相對(dui)标準不(bu)确定度(du)随流量(liang)的變化(hua)趨勢(shi)不(bu)相同,其中由重複(fu)性和(he)複現性引起的(de)相對(dui)标(biao)準(zhun)不确(que)定度(du)随(sui)流(liu)量的變化呈(cheng)現出較(jiao)強的随機(ji)性,而(er)由頻(pin)率分辨率(lü)引起(qi)的(de)相(xiang)對标(biao)準不(bu)确定(ding)度則(ze)随着流量(liang)的增(zeng)加而逐漸變小(xiao)。
(3)在混相流(liu)流量(liang)與體(ti)積含(han)氣率(lü)範圍.内(nei),由(you)氣液(ye)混相(xiang)流引起的(de)渦街(jie)流(liu)量(liang)計附(fu)加相對(dui)不(bu)确定(ding)度小(xiao)于(yu)2.0%。

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