摘要:渦街流量(liàng)計 可用于部分(fen)混相流的測量(liàng),但迄今爲止有(you)關混相⭕流對渦(wō)😍街流💃🏻量計測量(liàng)特性的影響。在(zai)體積含氣率爲(wei)2.0%~15.0%的範圍内,評定(dìng)了用渦街流量(liang)計測量氣液混(hun)相流的不确定(dìng)度,提出渦街流(liu)量計測量氣液(ye)混相流的不确(que)定✂️度計算式。實(shi)驗以空氣和水(shui)爲🈲介質産生氣(qi)液混相流，渦街(jie)信号通過管壁(bi)差壓法采集,渦(wo)街頻率通過功(gōng)率譜分析獲得(de)。結果表明在保(bao)持渦街流量計(jì)一定測量📧精度(du)的前提下,渦街(jie)流量計相對擴(kuò)展不确定度随(suí)氣液混相流流(liu)量及其體積含(han)氣率的分布比(bi)較均勻;在渦街(jie)頻🛀🏻率測量的不(bu)确📱定度㊙️分量中(zhong),由重複性和複(fú)現性引起的相(xiang)對标準不确定(dìng)度随流量的變(biàn)化呈現出❄️較強(qiang)的随機性,而由(you)頻率分辨率引(yin)起的相對标準(zhǔn)不确😘定度則随(sui)着流量的增加(jiā)而減小。在流量(liàng)與體積含氣率(lü)範🈲圍内,由氣液(yè)混相流引起的(de)渦街流量計附(fu)加相對不确定(dìng)度🔴小于2.0%。分析氣(qì)液混相流對渦(wo)街流量計測量(liàng)特性的影響提(tí)供了有益的借(jiè)鑒。
1引言
　　在工業(ye)生産過程中,爲(wei)了有效地指導(dao)生産操作和控(kong)😄制生産過程,常(cháng)常需要檢測生(sheng)産過程中各種(zhǒng)流動介質的流(liu)量,以便🌏爲管理(lǐ)和控制生産提(tí)供依據。所以,對(duì)于流量⛱️測量方(fāng)法及儀🔞表在現(xiàn)❓代化生産中顯(xian)得十分✏️重要。渦(wō)街流量計是一(yī)種基于流體振(zhèn)動🧑🏾‍🤝‍🧑🏼原理的新興(xing)流量測量儀表(biao)，近年來發展迅(xùn)速,在能源、化工(gong)、冶金等衆多過(guo)程工程🐇領域得(de)到了廣泛應🔴用(yòng)。渦街流量計的(de)輸出信号是與(yu)流體平均流速(su)成正😍比的脈沖(chong)頻率,不受流體(tǐ)物性和組分變(biàn)化的影響。因此(ci),從理論上講,渦(wo)街流量計除了(le)用于液體、氣💃體(ti)和蒸汽流量測(cè)量以外，甚至還(hái)可以用于部分(fèn)混相流的測量(liang)。然而,目前關于(yú)混相流對渦街(jiē)流量計🛀的影⛷️響(xiang),還缺少理論和(he)實踐經驗,雖然(ran)開展了一些渦(wo)街流量計測量(liàng)混相流方面的(de)試驗,但🚶還處于(yú)探索階段.
　　不确(què)定度是表征合(he)理地賦予被測(ce)量值的分散性(xìng),與測量結果相(xiàng)聯系的參數。不(bú)确定度是說明(míng)測量水平的主(zhǔ)要指标，是表示(shì)測量質量的重(zhòng)要依據。不确定(ding)度對科學、工程(cheng)及商貿中大量(liàng)存在的測量結(jie)果的處理與表(biao)示都具有普遍(biàn)的指導意義。但(dan)是,目前對于渦(wō)街流量計不确(què)定度還比較少(shao)。
　　在對渦街流量(liàng)計測量單相流(liú)不确定度的基(jī)礎上,對測量模(mó)型和算法進行(hang)了改進,将其應(ying).用于氣液混相(xiang)流不确定🐕度的(de)💁評定,分析了氣(qì)液混相流流量(liàng)及其體積含氣(qì)率對渦街流量(liang)計不确定度的(de)影響,讨論了各(gè)不确定度分量(liàng)的影響因素,由(yóu)氣液混相流引(yǐn)起的渦街流量(liàng)計附加不确定(ding)度。
2測量原理與(yǔ)實驗
2.1渦街流量(liàng)計測量原理
　　在(zài)流體中垂直于(yú)流向插入一根(gēn)非流線型柱狀(zhuàng)物體(即旋渦發(fā)生體),當滿足一(yī)定條件時,旋渦(wo)發生體的兩側(cè)将出現兩排旋(xuán)轉方向相反、交(jiāo)替産生的非對(dui)稱的🔞旋渦列(即(ji)卡門渦街,簡🏃‍♂️稱(cheng)渦街),它的頻率(lǜ)與流體平均🌐流(liú)速成正比，因此(ci),通過檢測渦街(jie)的頻率,根據有(yǒu)關的關系式可(kě)以獲得流體的(de)流量。
 
　　式中:ƒ一渦(wo)街頻率;u一流體(ti)平均速度;d一旋(xuan)渦發生體迎面(mian)寬度;D一管道内(nèi)徑;
　　U1一旋渦發生(sheng)體兩側的平均(jun1)流速;St一斯特勞(láo)哈爾數💃🏻;m一旋渦(wo)發生體兩側弓(gong)形面積與管道(dào)橫截面面積之(zhi)比。
管道内流體(ti)的體積流量qv爲(wèi):
 
式中:K一渦街流(liu)量計的儀表系(xì)數。
　　式(3)爲渦街流(liu)量計測量的基(ji)本關系式,其中(zhōng)儀表系數✊K除了(le)♊與旋渦發生體(ti)、管道的幾何尺(chi)寸有關外,還與(yǔ)斯特勞哈爾數(shu)有關。斯特勞哈(hā)爾數爲無量綱(gang)參數,它與旋渦(wo)發👉生體形狀及(jí)雷諾數有關,在(zài)雷諾數✍️爲5x103~7x106範圍(wei)内,St可視爲常👅數(shu)。渦街流量計輸(shū)出的脈沖頻♋率(lǜ)信号不受流體(tǐ)物性和組分變(biàn)化的影響,可适(shi)用于液體、氣體(ti)、蒸汽和部分混(hun)相流的測量。
2.2實(shi)驗裝置和過程(chéng)
　　實驗系統如圖(tu)1所示,采用空氣(qi)和水作爲實驗(yàn)介，質來産生混(hùn)相流。空氣和水(shuǐ)先分别經标準(zhun)流量計測量流(liú)量,然後進人混(hun)相器充分混合(hé)後,再流經實驗(yan)渦街流量計。實(shi)驗渦街流量計(ji)的内徑爲50mm,旋渦(wō)發生🌂體爲準梯(tī)形,迎流面寬度(dù)爲14mm,不确定度爲(wei)1.0%。渦街頻率信号(hào)通過管壁差壓(yā)法獲取,采樣頻(pín)率🏒爲2500Hz,采樣時間(jian)4s,每個采集的📧時(shi)間序列包含10000個(gè)🔞數據點，因此頻(pin)率分辨率爲0.31Hz。
 
　　空(kong)氣标準流量計(jì)采用不确定度(dù)爲1.0%的渦街流量(liang)計,水🏒标準流量(liang)🌍計采用不确定(ding)度爲0.5%的電磁流(liu)量計。标準流量(liàng)計和實🏃‍♀️驗渦街(jie)流量計所在處(chù)的溫度和壓力(li)也同⚽時測量,用(yòng)以補償因管道(dào)和混🌈相器的壓(ya)損引起的空氣(qi)和水體積的變(bian)化。經計算,實驗(yan)渦街流量計處(chù)空氣流量qva爲0~2.0m³·h-1,水(shuǐ)流🏃‍♂️量爲qvw10.0~18.5m³·h-1,混相流(liu)🌍的體積含氣🥵率(lü):
 
　　實驗中β值爲2.0%~15.0%。對(duì)每種固定組分(fen)(即體積含氣率(lü))的氣液混🛀🏻相流(liu),實驗在重複性(xìng)條件下進行了(le)六次,在複現性(xìng)條件下也進行(háng)了六次。
3測量模(mo)型與不确定度(dù)傳播律
　　對于渦(wo)街流量計,其儀(yi)表系數K必須通(tōng)過實流Qv8标定确(que)🏃🏻‍♂️定,對于混相流(liú)的測量,有:
9v8=qvs8+qvsw(6)
　　式中(zhōng):qvs8一空氣标準流(liu)量計的示數;qvsw一(yī)水标準流量計(ji)的👉示數🤞。
　　因此,渦(wō)街流量計測量(liàng)氣液混相流時(shí)的測量模型可(ke)以寫成:
qv=F(ƒ,qvs8,qvsw)(7)
　　根據ISO-GUM和(hé)JJF1059-1999的規定,渦街流(liu)量計測量氣液(ye)混相流合成标(biāo)🔞準🛀🏻不确定度的(de)傳播律爲:
 
　　式中(zhong):U1(ƒ),U2(ƒ),U3(ƒ)一-在渦街頻率(lǜ)測量中由重複(fú)性、複現性、頻率(lǜ)分辨🧑🏽‍🤝‍🧑🏻率引起的(de)相對标準不确(què)定度。
　　最後，可以(yi)得到渦街流量(liàng)計測量氣液混(hùn)相流時,置🔆信概(gai)率❄️爲95%的相對擴(kuò)展不确定度爲(wèi):
U(qv)=2Uc(qv)(14)
4實驗結果與讨(tao)論
4.1數據處理
4實(shí)驗結果與讨論(lun)
4.1數據處理
　　首先(xian),采用十階Butterworth帶通(tong)濾波器對管壁(bi)差壓法檢測的(de)信🤟号進行處♊理(li),以消除管道振(zhen)動和流體湍動(dong)等幹擾的影響(xiang)。由于在實驗流(liu)量範圍内渦街(jiē)頻率爲10~60Hz,因此Butterworth濾(lü)波器的頻率帶(dài)通範圍設置爲(wei)3~300Hz。得🈲到的渦街流(liu)量計輸出信号(hào)如圖2所示。
　　然後(hou),對Butterworth濾波器的輸(shū)出信号進行功(gong)率譜分析以獲(huò)得渦❄️街頻率🈲。信(xìn)号的功率譜密(mì)度反映了信号(hao)的功率随頻率(lǜ)✂️的分布。時域的(de)💯渦街信号在渦(wō)街頻率處出現(xian)能量集中,所以(yi)通過譜分析方(fang)法,将時域的信(xìn)号轉化到頻域(yu)，能方便地提取(qǔ)出渦街頻率值(zhi)。把Butterworth濾🍉波器的輸(shu)出信号x(n)的N點觀(guan)察數據xN(n)視爲👣一(yī)能量有限信号(hao),直接取xN(n)的傅裏(li)葉變換計算xN(ejɷ),再(zai)将ɷ在單位圓上(shàng)等間隔取值計(ji)算✍️XN(k),由離散傅裏(lǐ)葉變換可得:
 
　　将(jiāng)計算得到的渦(wō)街頻率和記錄(lù)的标準流量計(jì)示數代人式(4),可(ke)得實驗範圍内(nei)渦街流量計儀(yi)表系數的分布(bù)情況，如圖3所示(shì)。可以看到,在實(shí)驗範圍内,氣液(yè)混相流對渦街(jiē)流量計儀表系(xi)數造成的附加(jiā)誤差在±3.0%以内🤩。
 
4.2不(bu)确定度估計
　　對(duì)于某一固定組(zǔ)分的氣液混相(xiang)流,其各不确定(dìng)度分量🔞的計算(suan)式爲:
 
　　式中:m,n-在重(zhòng)複性和複現性(xing)條件下的實驗(yàn)次數,m=1,2,..,6,n=1,2,.,6。
　　由于U(qvs8)=1.0%,U(qvsw)=0.5%,因此(cǐ)将以上計算結(jie)果代人式(12)~式(14),得(de)到不同混相組(zǔ)分♊(體積含氣率(lǜ))下渦街流量計(jì)的相對擴展不(bú)确定👌度與流量(liang)的關系，如圖4所(suǒ)示。從圖中可以(yi)看到♉,在混相流(liu)流量爲10.0~20.0m3/h的實驗(yàn)範圍内,渦街流(liu)量計的相對擴(kuo)展不确定度比(bǐ)較均勻地分布(bù)于2.5%~3.5%之間，流量值(zhi)的大小對相對(dui)擴展不确定度(du)的影響不顯著(zhe)。
 
　　由于在實驗過(guo)程中采用的空(kong)氣和水标準流(liú)量計一定🙇‍♀️,所以(yi)🌏由它們引人的(de)不确定度也固(gu)定不變,分别爲(wei)♉1.0%和0.5%。對👈于渦🐕街頻(pín)率的三個不确(què)定度分量U1(ƒ),U2(ƒ),U3(ƒ),随流(liu)量的變🈲化趨勢(shì)并不相同。在不(bu)同流量下，U1(ƒ)和U2(ƒ)的(de)變化呈現出較(jiao)強的随機🔴性,這(zhe)反映‼️了測量過(guò)程中的随機效(xiao)應。另一方面,U3(ƒ)則(zé)随着🌐流量的增(zēng)加而變小，主要(yào)✏️是由于實驗過(guo)程中信号的頻(pín)率分辨率保持(chi)爲0.31Hz(由🌍采用頻率(lǜ)☎️和采樣點數決(jue)定),而在流量較(jiao)大時渦街頻🔅率(lü)也較大,根據式(shì)🌍(19)可知U3(ƒ)将随着流(liu)量的增加而減(jian)🌈小。
4.3混相流組分(fèn)對不确定度的(de)影響
　　圖5給出了(le)不同混相流組(zu)分(即體積含氣(qi)率)時渦街流量(liang)計的相🌂對擴展(zhǎn)不确定度。與圖(tú)4中混相流流量(liang)☁️對相對擴展不(bú)确定度的影響(xiang)相似,在體積含(han)氣率爲2.0%~15.0%的實🏃驗(yan)範圍内,渦街流(liú)量計的相對擴(kuò)展不确定度比(bǐ)較均勻地分布(bù)于2.5%~3.5%之間,體積含(han)氣率與相對擴(kuò)展不确定度之(zhi)間沒有明顯的(de)依賴關系。
 
　　結合(hé)圖4和圖5可見,在(zai)保持渦街流量(liang)計一定測量精(jing)👨‍❤️‍👨度💋的前提下,混(hun)相流流量及其(qi)體積含氣率對(dui)渦街流量計相(xiang)對不确定度沒(méi)有明顯的傾向(xiang)性影響,即渦街(jie)流量計相對不(bú)确定度随混相(xiàng)流流量及其體(tǐ)積含氣率的分(fèn)布比較均勻。同(tóng)🐪時在本中，由于(yú)實驗渦街流量(liàng)計的基本不确(què)定度爲1.0%,而測量(liang)氣液混相流時(shí)的總不确定度(dù)小于3.0%,因此♌,由氣(qì)液混相流💃🏻引起(qǐ)的渦街流✂️量計(ji)附加相對不确(que)定度小于2.0%。
5結論(lùn)
　　用渦街流量計(jì)測量體積含氣(qi)率爲2.0%~15.0%的氣液混(hùn)相流🌂的不确定(dìng)♉度,提出了渦街(jiē)流量計測量氣(qì)液混相流🎯的不(bú)☀️确定度計算式(shi)。實驗以空氣和(hé)水爲介質産生(shēng)👅氣液混相流,渦(wō)街信号通過管(guǎn)壁差壓法采集(ji),渦街頻率通過(guo)功率譜分析獲(huò)得。結果表明:
(1)在(zai)保持渦街流量(liang)計--定測量精度(dù)的前提下,混相(xiàng)流流量及其體(tǐ)積含氣率對渦(wō)街流量計相對(duì)擴展不确定度(du)沒有明顯的傾(qīng)向❓性影響,即渦(wo)街流量計相對(dui)擴展不确定度(dù)随混👄相流流量(liàng)及其體積含氣(qì)率的分布比較(jiào)均勻。
(2)在渦街頻(pin)率測量中由重(zhòng)複性、複現性、頻(pin)率分辨率引起(qǐ)的相對标準不(bu)确定度随流量(liang)的變化趨勢不(bú)相同,其中由重(zhòng)複性👣和複現性(xìng)引起的相對标(biāo)準不确定度随(sui)流量的變化呈(cheng)現出較強的随(suí)機性,而由頻率(lü)分辨率引起的(de)相對标準💃🏻不确(què)定度則随着流(liu)❤️量的增加而逐(zhu)漸變小。
(3)在混相(xiang)流流量與體積(jī)含氣率範圍.内(nei),由氣液混相✂️流(liú)引起的渦街流(liu)量計附加相對(dui)不确定度小于(yú)2.0%。

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