摘(zhai)要:渦街(jie)流量計(ji) 可用于(yu)部分混(hun)相流的(de)測量,但(dan)迄今爲(wei)止有關(guan)混相流(liu)對渦🐇街(jie)流量計(ji)測量特(te)性的影(ying)響。在體(ti)積含氣(qi)率爲2.0%~15.0%的(de)❄️範圍😘内(nei),評🚶定了(le)用渦街(jie)流量計(ji)測量氣(qi)液混相(xiang)流的不(bu)确定度(du),提出渦(wo)街流量(liang)計測量(liang)氣液混(hun)相流的(de)不确定(ding)度計算(suan)式。實驗(yan)以空氣(qi)和水爲(wei)介質産(chan)生🔞氣液(ye)混相流(liu)，渦街信(xin)号通過(guo)管壁差(cha)壓法采(cai)集,渦街(jie)🔆頻率通(tong)過功🈲率(lü)譜分析(xi)獲得。結(jie)果表明(ming)在保持(chi)渦街流(liu)量計一(yi)定測量(liang)精度的(de)🛀🏻前提下(xia),渦🌈街流(liu)量計相(xiang)對🔞擴🏃🏻‍♂️展(zhan)不确定(ding)度随氣(qi)液混相(xiang)流流量(liang)及其🈚體(ti)積含氣(qi)率的分(fen)布💁比較(jiao)均勻;在(zai)渦街頻(pin)🐪率測量(liang)的不确(que)定度分(fen)量中,由(you)重複性(xing)和複現(xian)性引起(qi)的相對(dui)💯标準不(bu)确定度(du)随流量(liang)👈的變化(hua)呈現出(chu)較強的(de)随機性(xing),而由頻(pin)率分辨(bian)率引起(qi)的相對(dui)标✌️準不(bu)确定度(du)則随着(zhe)流量的(de)增加而(er)減小。在(zai)流量與(yu)體積含(han)氣率範(fan)圍内,由(you)氣液混(hun)相流引(yin)起的渦(wo)🈲街流量(liang)計附加(jia)相對不(bu)确定㊙️度(du)小于2.0%。分(fen)析氣液(ye)混相🍓流(liu)對渦街(jie)❌流量計(ji)測量特(te)性的影(ying)響提供(gong)了有益(yi)的借鑒(jian)。
1引言
　　在(zai)工業生(sheng)産過程(cheng)中,爲了(le)有效地(di)指導生(sheng)産操作(zuo)和控制(zhi)🌂生産過(guo)🍉程,常常(chang)需要檢(jian)測生産(chan)過程中(zhong)各種流(liu)動介質(zhi)的流量(liang)🎯,以便爲(wei)管理和(he)控制生(sheng)産提供(gong)依據。所(suo)以,對于(yu)流量測(ce)量方法(fa)及儀表(biao)在現代(dai)化生産(chan)中顯得(de)十分重(zhong)要。渦街(jie)😘流量計(ji)是一種(zhong)基于流(liu)體振動(dong)原理的(de)新興流(liu)量測量(liang)儀表，近(jin)年來發(fa)展迅速(su),在能源(yuan)、化工、冶(ye)金等衆(zhong)多過程(cheng)工程領(ling)域得到(dao)了廣泛(fan)應用。渦(wo)街流量(liang)計的輸(shu)出信号(hao)是與流(liu)體平均(jun)流速成(cheng)💰正比的(de)脈沖頻(pin)率,不受(shou)流體物(wu)性和組(zu)分變化(hua)的影響(xiang)。因此,從(cong)理論上(shang)講,渦🛀🏻街(jie)流量計(ji)除了用(yong)于液體(ti)、氣體和(he)蒸汽流(liu)量測量(liang)以外，甚(shen)至還可(ke)以用于(yu)部分混(hun)✊相流的(de)測量。然(ran)而,目前(qian)關于混(hun)相流對(dui)渦街流(liu)量計的(de)影響,還(hai)缺少理(li)論和實(shi)踐經驗(yan),雖然開(kai)展了一(yi)些🥰渦街(jie)流量計(ji)測量混(hun)相流方(fang)面的試(shi)驗,但還(hai)處于探(tan)㊙️索階段(duan).
　　不确定(ding)度是表(biao)征合理(li)地賦予(yu)被測量(liang)值的分(fen)散性,與(yu)測量結(jie)果相聯(lian)系的參(can)數。不确(que)定度是(shi)說明測(ce)量水平(ping)的主要(yao)指标，是(shi)表示測(ce)量質量(liang)的重要(yao)依據。不(bu)确定度(du)對科學(xue)、工程及(ji)商貿中(zhong)大量存(cun)在的測(ce)量結果(guo)的處理(li)與表示(shi)都具有(you)普遍的(de)指導意(yi)義。但是(shi),目前對(dui)于渦街(jie)流量計(ji)不确定(ding)度還比(bi)較少。
　　在(zai)對渦街(jie)流量計(ji)測量單(dan)相流不(bu)确定度(du)的基礎(chu)上,對測(ce)量模型(xing)和算法(fa)進行了(le)改進,将(jiang)其應.用(yong)于氣液(ye)混相流(liu)不确定(ding)度的評(ping)定,分析(xi)了氣液(ye)混相流(liu)流量🛀及(ji)其體積(ji)含氣率(lü)對渦👄街(jie)流量計(ji)不确定(ding)度的影(ying)響✉️,讨論(lun)了各不(bu)确定度(du)分量的(de)影響因(yin)素,由氣(qi)液混相(xiang)💃🏻流引起(qi)的渦🐇街(jie)流量計(ji)附🍓加不(bu)确定度(du)。
2測量原(yuan)理與實(shi)驗
2.1渦街(jie)流量計(ji)測量原(yuan)理
　　在流(liu)體中垂(chui)直于流(liu)向插入(ru)一根非(fei)流線型(xing)柱狀物(wu)體🈲(即旋(xuan)渦發生(sheng)體),當滿(man)足一定(ding)條件時(shi),旋渦發(fa)生體的(de)兩側将(jiang)出現🔴兩(liang)排🥵旋轉(zhuan)方向相(xiang)反、交替(ti)産生的(de)非對稱(cheng)的旋渦(wo)列(即卡(ka)門渦街(jie),簡📐稱渦(wo)街❓),它的(de)頻率與(yu)流體平(ping)均流速(su)成正比(bi)，因此,通(tong)過檢測(ce)渦街的(de)頻率,根(gen)據有關(guan)的關系(xi)式可以(yi)獲得流(liu)體的流(liu)量。
 
　　式中(zhong):ƒ一渦街(jie)頻率;u一(yi)流體平(ping)均速度(du);d一旋渦(wo)發生體(ti)迎🤩面寬(kuan)度;D一管(guan)道内徑(jing);
　　U1一旋渦(wo)發生體(ti)兩側的(de)平均流(liu)速;St一斯(si)特勞哈(ha)爾數;m一(yi)旋渦發(fa)生體兩(liang)側弓形(xing)面積與(yu)管道橫(heng)截面面(mian)積之比(bi)。
管道内(nei)流體的(de)體積流(liu)量qv爲:
 
式(shi)中:K一渦(wo)街流量(liang)計的儀(yi)表系數(shu)。
　　式(3)爲渦(wo)街流量(liang)計測量(liang)的基本(ben)關系式(shi),其中儀(yi)表系❄️數(shu)K除了與(yu)旋渦發(fa)生體、管(guan)道的幾(ji)何尺寸(cun)有關外(wai),還與斯(si)特勞哈(ha)爾數有(you)關。斯特(te)勞哈爾(er)數爲無(wu)量綱參(can)數,它與(yu)旋渦發(fa)生體形(xing)狀及雷(lei)🎯諾數有(you)關,在雷(lei)諾數爲(wei)5x103~7x106範圍内(nei),St可視爲(wei)常數。渦(wo)街流💋量(liang)計輸出(chu)的脈沖(chong)頻率信(xin)号不受(shou)流體物(wu)性和組(zu)分變化(hua)的影響(xiang),可适用(yong)于液體(ti)、氣體、蒸(zheng)汽和部(bu)分混相(xiang)流的測(ce)量。
2.2實驗(yan)裝置和(he)過程
　　實(shi)驗系統(tong)如圖1所(suo)示,采用(yong)空氣和(he)水作爲(wei)實驗介(jie)，質來🌏産(chan)生混相(xiang)👉流。空氣(qi)和水先(xian)分别經(jing)标準流(liu)量計測(ce)量流👅量(liang),然後進(jin)😄人混相(xiang)器充分(fen)混合後(hou),再流經(jing)實驗渦(wo)街流😘量(liang)計。實驗(yan)渦街流(liu)量計💰的(de)内徑爲(wei)50mm,旋渦發(fa)生體爲(wei)準梯形(xing),迎流面(mian)寬度爲(wei)14mm,不🍉确定(ding)度爲1.0%。渦(wo)街頻率(lü)🍉信号通(tong)過管壁(bi)差壓法(fa)獲取,采(cai)樣頻率(lü)🐇爲2500Hz,采樣(yang)時間‼️4s,每(mei)個采集(ji)的時間(jian)序列包(bao)含10000個數(shu)據點，因(yin)此頻率(lü)分辨率(lü)爲0.31Hz。
 
　　空氣(qi)标準流(liu)量計采(cai)用不确(que)定度爲(wei)1.0%的渦街(jie)流量計(ji)🆚,水📐标準(zhun)流量計(ji)采用不(bu)确定度(du)爲0.5%的電(dian)磁流量(liang)計。标準(zhun)流量計(ji)👌和實驗(yan)渦♈街流(liu)量計所(suo)在處的(de)溫度和(he)壓力也(ye)同時測(ce)量,用以(yi)補🤟償因(yin)管🏃🏻‍♂️道和(he)混相器(qi)的壓損(sun)😄引起的(de)空氣和(he)水體積(ji)的變化(hua)。經計算(suan),實驗渦(wo)街流🐆量(liang)計處空(kong)氣流量(liang)qva爲0~2.0m³·h-1,水流(liu)📞量爲qvw10.0~18.5m³·h-1,混(hun)相流的(de)體積含(han)氣率:
 
　　實(shi)驗中β值(zhi)爲2.0%~15.0%。對每(mei)種固定(ding)組分(即(ji)體積含(han)氣率)的(de)氣液混(hun)相流,實(shi)⚽驗在重(zhong)複性條(tiao)件下進(jin)行了六(liu)次,在複(fu)現性條(tiao)件下也(ye)進行了(le)六次。
3測(ce)量模型(xing)與不确(que)定度傳(chuan)播律
　　對(dui)于渦街(jie)流量計(ji),其儀表(biao)系數K必(bi)須通過(guo)實流Qv8标(biao)定确定(ding),對于混(hun)相流的(de)測量,有(you):
9v8=qvs8+qvsw(6)
　　式中:qvs8一(yi)空氣标(biao)準流量(liang)計的示(shi)數;qvsw一水(shui)标準流(liu)量計的(de)示數。
　　因(yin)此,渦街(jie)流量計(ji)測量氣(qi)液混相(xiang)流時的(de)測量模(mo)型可📐以(yi)寫成:
qv=F(ƒ,qvs8,qvsw)(7)
　　根(gen)據ISO-GUM和JJF1059-1999的(de)規定,渦(wo)街流量(liang)計測量(liang)氣液混(hun)相流合(he)成标準(zhun)不确定(ding)度的傳(chuan)播律爲(wei):
 
　　式中:U1(ƒ),U2(ƒ),U3(ƒ)一(yi)-在渦街(jie)頻率測(ce)量中由(you)重複性(xing)、複現性(xing)、頻率分(fen)辨率引(yin)起的相(xiang)對标準(zhun)不确定(ding)度。
　　最後(hou)，可以得(de)到渦街(jie)流量計(ji)測量氣(qi)液混相(xiang)流時,置(zhi)信概率(lü)爲95%的相(xiang)對擴展(zhan)不确定(ding)度爲:
U(qv)=2Uc(qv)(14)
4實(shi)驗結果(guo)與讨論(lun)
4.1數據處(chu)理
4實驗(yan)結果與(yu)讨論
4.1數(shu)據處理(li)
　　首先,采(cai)用十階(jie)Butterworth帶通濾(lü)波器對(dui)管壁差(cha)壓法檢(jian)測的信(xin)号進☎️行(hang)處理,以(yi)消除管(guan)道振動(dong)和流體(ti)湍動等(deng)幹❗擾的(de)🏃🏻‍♂️影響。由(you)于⛷️在實(shi)驗流量(liang)範圍内(nei)渦街頻(pin)率爲10~60Hz,因(yin)此Butterworth濾波(bo)器的頻(pin)率帶通(tong)範圍設(she)置爲3~300Hz。得(de)到的渦(wo)街流量(liang)計輸出(chu)信号如(ru)圖2所示(shi)。
　　然後,對(dui)Butterworth濾波器(qi)的輸出(chu)信号進(jin)行功率(lü)譜分析(xi)以獲得(de)渦🌈街頻(pin)率。信号(hao)的功率(lü)譜密度(du)反映了(le)信号的(de)功率随(sui)頻率的(de)分🔱布。時(shi)域的🙇‍♀️渦(wo)街信号(hao)在渦街(jie)頻率處(chu)出現能(neng)量集中(zhong),所以通(tong)過譜分(fen)析方法(fa),将時域(yu)的信✍️号(hao)轉化到(dao)頻域，能(neng)方便地(di)提取出(chu)渦街頻(pin)率值。把(ba)Butterworth濾波器(qi)的輸出(chu)信号x(n)的(de)N點觀察(cha)數據xN(n)視(shi)爲一能(neng)量有限(xian)💁信号,直(zhi)接取xN(n)的(de)📧傅裏葉(ye)變換計(ji)🤩算xN(ejɷ),再将(jiang)ɷ在單位(wei)圓上☂️等(deng)間隔取(qu)值計算(suan)XN(k),由離散(san)傅裏葉(ye)變換可(ke)得:
 
　　将計(ji)算得到(dao)的渦街(jie)頻率和(he)記錄的(de)标準流(liu)量計示(shi)數代❓人(ren)式(4),可得(de)實驗範(fan)圍内渦(wo)街流量(liang)計儀表(biao)系數🏃🏻的(de)分布情(qing)況，如圖(tu)3所示。可(ke)😘以看到(dao),在實驗(yan)範圍内(nei),氣液混(hun)相流對(dui)渦街流(liu)量計儀(yi)表💯系數(shu)造成的(de)附加誤(wu)差在±3.0%以(yi)内。
 
4.2不确(que)定度估(gu)計
　　對于(yu)某一固(gu)定組分(fen)的氣液(ye)混相流(liu),其各不(bu)确定度(du)分量♉的(de)計算💋式(shi)爲:
 
　　式中(zhong):m,n-在重複(fu)性和複(fu)現性條(tiao)件下的(de)實驗次(ci)數,m=1,2,..,6,n=1,2,.,6。
　　由于(yu)U(qvs8)=1.0%,U(qvsw)=0.5%,因此将(jiang)以上計(ji)算結果(guo)代人式(shi)(12)~式(14),得到(dao)不同混(hun)相組分(fen)(體🧑🏽‍🤝‍🧑🏻積含(han)氣率)下(xia)渦街流(liu)量計的(de)相對擴(kuo)展不🔴确(que)定度與(yu)流量的(de)關系，如(ru)圖4所示(shi)。從圖中(zhong)可以看(kan)到,在混(hun)相😍流流(liu)量⭐爲10.0~20.0m3/h的(de)實驗範(fan)圍内,渦(wo)街流量(liang)計的相(xiang)對擴展(zhan)不确定(ding)度比較(jiao)均勻地(di)分布于(yu)2.5%~3.5%之間，流(liu)量值📱的(de)大小對(dui)相對擴(kuo)展不确(que)👉定度的(de)影響不(bu)顯著。
 
　　由(you)于在實(shi)驗過程(cheng)中采用(yong)的空氣(qi)和水标(biao)準流量(liang)計一定(ding),所💁以由(you)它們引(yin)人的不(bu)确定度(du)也固定(ding)不變,分(fen)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻别爲✌️1.0%和(he)0.5%。對于渦(wo)街頻率(lü)的三個(ge)不确定(ding)度分量(liang)U1(ƒ),U2(ƒ),U3(ƒ),随流量(liang)的變化(hua)趨勢并(bing)不相🍓同(tong)。在不😘同(tong)流量💛下(xia)，U1(ƒ)和U2(ƒ)的變(bian)化呈現(xian)出較強(qiang)的随機(ji)性,這反(fan)映了測(ce)量過程(cheng)中的随(sui)機效應(ying)。另一方(fang)面,U3(ƒ)則随(sui)着流量(liang)的增加(jia)而變小(xiao)，主要是(shi)由于實(shi)驗🔴過程(cheng)中信号(hao)的頻率(lü)分辨率(lü)保持爲(wei)0.31Hz(由采用(yong)頻率🌈和(he)采樣點(dian)數決定(ding)),而在流(liu)量較大(da)時渦街(jie)頻率也(ye)較大,根(gen)據式(19)可(ke)知U3(ƒ)将随(sui)着流量(liang)的增加(jia)而減小(xiao)。
4.3混相流(liu)組分對(dui)不确定(ding)度的影(ying)響
　　圖5給(gei)出了不(bu)同混相(xiang)流組分(fen)(即體積(ji)含氣率(lü))時渦街(jie)流量計(ji)的相對(dui)擴展不(bu)确定度(du)。與圖4中(zhong)混相流(liu)流量對(dui)相對擴(kuo)展不确(que)定度的(de)影響相(xiang)似,在體(ti)積含氣(qi)率🍓爲2.0%~15.0%的(de)實驗範(fan)圍内,渦(wo)街流量(liang)計的相(xiang)對擴展(zhan)不确定(ding)🏃‍♂️度比較(jiao)均勻地(di)分布于(yu)2.5%~3.5%之間,體(ti)♉積含氣(qi)率㊙️與相(xiang)對擴展(zhan)不确定(ding)度之間(jian)沒有明(ming)顯的依(yi)賴關系(xi)。
 
　　結合圖(tu)4和圖5可(ke)見,在保(bao)持渦街(jie)流量計(ji)一定測(ce)量精度(du)的前提(ti)㊙️下🔴,混相(xiang)流流量(liang)及其體(ti)積含氣(qi)率對渦(wo)街流量(liang)計相對(dui)不🤟确定(ding)度沒有(you)明顯的(de)傾向性(xing)影響,即(ji)渦街流(liu)量計相(xiang)對不确(que)⭐定度随(sui)混相流(liu)流量及(ji)其體積(ji)含氣率(lü)的分布(bu)比較均(jun)勻。同時(shi)在本中(zhong)💃🏻，由于實(shi)驗⭐渦街(jie)流量計(ji)的基本(ben)不确定(ding)度爲1.0%,而(er)測量氣(qi)液混相(xiang)流時的(de)總不确(que)定度小(xiao)于3.0%,因此(ci),由氣液(ye)混相流(liu)引起的(de)渦街流(liu)量計附(fu)☁️加相對(dui)⛷️不确定(ding)度小于(yu)2.0%。
5結論
　　用(yong)渦街流(liu)量計測(ce)量體積(ji)含氣率(lü)爲2.0%~15.0%的氣(qi)液混相(xiang)流的不(bu)确定🤩度(du),提出了(le)渦街流(liu)量計測(ce)量氣液(ye)混相流(liu)的不确(que)定度計(ji)算式。實(shi)驗以空(kong)氣和水(shui)爲介質(zhi)産生氣(qi)液混相(xiang)流,渦街(jie)信号通(tong)過管壁(bi)差壓法(fa)采集,渦(wo)街頻率(lü)通過功(gong)率譜分(fen)析獲得(de)。結果表(biao)明:
(1)在保(bao)持渦街(jie)流量計(ji)--定測量(liang)精度的(de)前提下(xia),混相流(liu)流量及(ji)其體📐積(ji)含氣率(lü)對渦街(jie)流量計(ji)相對擴(kuo)展不确(que)定㊙️度沒(mei)有明顯(xian)的傾向(xiang)性影響(xiang),即渦街(jie)流量計(ji)相對擴(kuo)展不确(que)定度随(sui)混相流(liu)流量及(ji)其體積(ji)含氣率(lü)的分布(bu)比較均(jun)勻。
(2)在渦(wo)街頻率(lü)測量中(zhong)由重複(fu)性、複現(xian)性、頻率(lü)分辨率(lü)引⭐起的(de)相對标(biao)準不确(que)定度随(sui)流量的(de)變化趨(qu)勢不😘相(xiang)同,其中(zhong)由重複(fu)性🏃‍♂️和複(fu)現性引(yin)起的相(xiang)對标準(zhun)不确定(ding)度随流(liu)量🍉的變(bian)化呈現(xian)出較強(qiang)的随機(ji)性,而由(you)📧頻率分(fen)辨率引(yin)起的相(xiang)對标準(zhun)不确定(ding)度則随(sui)着流量(liang)的增加(jia)而逐漸(jian)變小。
(3)在(zai)混相流(liu)流量與(yu)體積含(han)氣率範(fan)圍.内,由(you)氣液混(hun)相流引(yin)🏃🏻‍♂️起的渦(wo)🔱街流量(liang)計附加(jia)相對不(bu)确定度(du)小于2.0%。

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