關於過（guò）熱蒸汽流量計在含氣液體介質測量中的試驗研究

流動流體中旋渦的出現,是增大流（liú）動阻力、造成較大能量損失的重要原（yuán）因。所以,在流體輸送中應盡量避免或減少旋渦產生的機會。但隨（suí）著人們對旋渦產生和運（yùn）動（dòng）規（guī）律（lǜ）的認識不斷深化,在工程實踐中有意識地加以運用,如近年來人們對卡門渦街的旋渦研究取得了新的成果,運用到（dào）流量測量中去,便成功（gōng）地（dì）設計製造了卡門過熱蒸汽流量計，當流體流（liú）過（guò）阻擋體時會（huì）在阻擋（dǎng）體的兩側交替產生旋渦，這種現象稱（chēng）為卡門（mén）渦街（jiē）。20世（shì）紀60年（nián）代日本*先（xiān）利用卡門渦街現象研（yán）製出過熱蒸汽流量計，此後過熱蒸汽流量計由於（yú）其諸多優點得以在工業領域廣泛應用。
在單相流體介（jiè）質（zhì）條件下對過熱（rè）蒸汽流量計的研究相對比較成熟，研究者通過試驗的方法得（dé）到了大量有價值的試驗結果（guǒ），並（bìng）應（yīng）用到（dào）過熱蒸汽（qì）流量計（jì）的開發中，使得過（guò）熱蒸汽流量計的測量精度、可靠性得到了很大的提高。工（gōng）業（yè）測量中（zhōng）經常會有這樣的情況出現：液體管道中有時會混入少量的氣體（tǐ），被測（cè）流質變成了氣液兩相流。由於氣液兩相流的複雜性，研究這種條件下過熱蒸汽流量計（jì）測（cè）量特性的文（wén）章不多（duō）。西安交通大學的李永光曾經在氣液兩相流的（de）豎直管道上，對不同（tóng）形狀的渦街發（fā）生體進行了研究，對不同截麵含氣率下渦街的結構以及斯特勞哈爾數的變化進行（háng）了（le）大量的試驗研究，並給出了斯特勞哈爾數隨截麵（miàn）含（hán）氣率而變化（huà）的公式。李永光的工作主（zhǔ）要是從流體力學的角度對氣液（yè）兩（liǎng）相流中渦（wō）街現象的機理進行了研究，其給出的試（shì）驗結果涉及到截麵含氣率的測量。本文通過（guò）試驗從測量的角度，研究（jiū）了水平管道中含有少量氣體的液體條件下過熱蒸汽流量計測量結果的變化情況，並且測量（liàng）結果分別用譜分析和脈（mò）衝計數兩種測（cè）量方式得到，通過比較發現在液含氣流體（tǐ）條（tiáo）件下譜分析要明顯優於脈衝計數的方式。
1、試驗裝置與試驗方法
1.1試驗裝置
試驗介質由已測定流量的水（shuǐ）和空氣組成，分別送入管道混（hún）和成氣液兩相流送入試驗（yàn）管段。試驗裝置如圖1所示。試驗裝置由空氣壓縮機（jī）、儲氣罐、蓄水罐、分離罐、流（liú）量計、壓力變送器、溫度變（biàn）送器、工控機和各種閥（fá）門（mén）組成。
空氣壓縮機將空氣壓縮後送入儲氣罐，標準流量計1計量氣液混合前儲（chǔ）氣罐送入管道的氣（qì）體流量。蓄水（shuǐ）罐距離地麵30m，提供（gòng）試驗所需的液相，其流（liú）量由標準（zhǔn）流量計2測得。液相和氣相經混和器混和後送入試驗管段，*後流入分（fèn）離罐將水和空氣進行分離，空氣由放氣閥排（pái）出（chū），水（shuǐ）由水泵送（sòng）回蓄（xù）水罐循環使用（yòng）。工控機對所有儀表數據進（jìn）行采集和顯示並對兩個電動（dòng）調節閥進行控製，調節氣（qì）相和液相的流量。
試驗所用的過熱蒸汽流量計選擇了一台應用*多的壓電式（shì）渦街流量（liàng）傳感器，其口徑的直徑（jìng）D=50mm。將（jiāng）渦街傳感器放置在水平直管段（duàn）上，其上下遊直管段長度分別（bié）為30D和20D。壓力變送器和溫度變送器分別放在渦街流量傳（chuán）感（gǎn）器上遊（yóu）1D和下遊10D的（de）位置，混和器安裝在（zài）過熱蒸汽（qì）流量計上遊30D的位置。

圖1 氣液（yè）兩相流試驗裝置
1.2 試驗方法
通過流（liú）量計2的測量和調（diào）節電動閥2，水的流（liú）量取6、8、10、12m3/h四個流量值。通過電動閥1控（kòng）製，流量計1顯示空氣注入（rù）量的範圍（wéi）為0.3～1.8m3/h，其壓力範圍為0.4～0.5MPa。     目（mù）前工業中應（yīng）用的（de）過熱蒸汽流量計（jì）大（dà）部分是脈衝輸（shū）出，即將旋渦信號轉化為脈衝信號，通過對脈衝信號計數計算（suàn）出旋渦脫落（luò）的頻率。脈衝（chōng）輸出的過熱蒸汽流量計主要的缺點是易受噪聲（shēng）幹擾，對於小流量（liàng）來說由於信號微弱難以與噪聲區別。近幾年（nián）隨著數字信（xìn）號處理（lǐ）技術的發展，出現了以DSP為核（hé）心，具有譜分析功能（néng）的過熱蒸汽流（liú）量計，這種方法提高了對微弱渦街（jiē）頻率信號的識別。考慮到這兩種不同類型過熱蒸汽流量計在工業現場（chǎng）使用，試驗中同時用譜分析方法和（hé）脈衝計（jì）數方法對渦街頻率（lǜ）進行計算，並對兩種方法進行了比較。
過熱蒸汽流量計的轉換電（diàn）路流（liú）程圖如圖2所示。以5000Hz的頻率對（duì）A點的模擬信號進行采樣，每次采樣10組數據，每組數據有5×104個采樣點，將得到的采樣點進行傅裏葉（yè）變換得到不（bú）同測量點渦街產生的頻率，同時通過脈衝計數的方法對B點采樣。

2、過熱（rè）蒸汽流量計的標定
將過熱蒸汽流量計（jì）在（zài）標準水裝置上，分別用頻譜分析和脈衝計數的方法進（jìn）行標定，流體介質（zhì）為水未加氣體，采用的標（biāo）準傳感器為精度等級為0.2級的電磁流量計。在每個流量測量點上的儀表係數（shù）用公式（1）計算，然後用式（2）計算得到*終儀表係數（shù）K。Ql為被測水的流量值，f為（wéi）每一個流量點得到的頻率（lǜ），k為每個測量點得到的（de）儀表係數。kmax、kmin分別為試驗流量範圍內得到的*大與*小的儀表係數。儀表係數的線性度E1用式（3）來計算。

譜分析和脈衝計數兩種不同方法計算出的過熱蒸汽流量計儀表係數分別為（wéi）：Ks=10107p/m3；Kc=10143p/m3；計算得到的儀表係數線性度分別為：1.2%和（hé）1.5%。圖（tú）3為儀表係數隨水流量值變化的曲線，可以看（kàn）出，在試驗所（suǒ）選流量範圍內，儀表（biǎo）係（xì）數近似於一個常（cháng）數，頻譜分（fèn）析的結果與脈衝計數所（suǒ）得到的試驗結（jié）果差別不大，之（zhī）間的誤差範圍為0.109%～0.688%。可見被測介質（zhì）全部為水時（shí）兩種測量方法（fǎ）並沒（méi）有明顯的區別（bié）。

3、渦街（jiē）信號分析
試驗發現，氣相（xiàng）的加（jiā）入對過熱蒸（zhēng）汽流量計測量的影響顯著，譜分析和脈衝計數兩（liǎng）種方法（fǎ）隨著氣相注入（rù）的增加其表現（xiàn）也不同。圖4反（fǎn）映了水流（liú）量12m3/h時，注入不同氣含率β時A點的模（mó）擬信號，如圖4（a～c）所示；經譜分析後得到的頻率值，如圖4（d～f）所示；用脈衝計（jì）數方法（fǎ）得到的（de）脈衝信號，如圖4（g～i）所示。圖4顯示，當注入氣量不大時，對過熱蒸（zhēng）汽流量計的影響不大，無論是譜分（fèn）析結果還是脈衝計數得到（dào）的結果都比較好。當注入（rù）的氣量進一步（bù）增加時（shí），渦街原始信號強度和（hé）穩定性逐漸（jiàn）變差，渦（wō）街頻率（lǜ）信號會被幹（gàn）擾信號所淹沒，反映到譜分析（xī）圖是，渦（wō）街頻率的譜能量減（jiǎn）小，幹擾信（xìn）號的譜能量加強；對於脈衝信號，會因為一些旋渦信號減弱，形成脈衝缺失現象，而（ér）不（bú）能真實地反映渦街產生（shēng）的（de）頻率。

表1反（fǎn）映了不同（tóng）流（liú）量點Ql下，隨著注氣量Qg的增加，渦街（jiē）發生頻（pín）率fs和fc的變化情況。結果顯（xiǎn）示，對於不同的水流量，當注入的氣（qì）體流量增加（jiā）到一定範圍時，不能再（zài）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（de）頻率（lǜ）值會變大，這是由（yóu）於總（zǒng）的體積（jī）流量增加了，而脈衝計數法則由於產生脈衝缺失（shī）現象所得到的頻率值減小。因此在氣液兩相流下，譜分（fèn）析比脈衝計數法有優勢，它能在較（jiào）高的含氣量依（yī）然能檢（jiǎn）測到旋渦脫（tuō）落的頻率。


4、過熱蒸汽流量（liàng）計（jì）的誤差分析
將試驗數據進行處理，得到（dào）了過熱蒸汽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為脈衝計數方法的測量誤差。過熱蒸汽流量（liàng）計的測量誤差用式（4）來計算。其中Qs為裝置中標準表測量出的管道總流量，Qt為試驗管段中過熱蒸汽流量計的測量（liàng）值。將譜分析和脈衝計數得到的頻率值和（hé）儀表係數分別代入式（5）計算Qt值。從圖中可以（yǐ）看出氣相含率的增加（jiā）兩種測量方法得到的誤差並不相同。當含氣率不高時，0<β<6%，譜分析法的平均誤差為1.226%，*大誤差為2.687%，脈衝計數法的平均誤差為1.583%，*大誤差（chà）為2.898%，因此譜分析法與脈衝計數法的測量誤差區別（bié）不大，譜（pǔ）分析沒有明顯的優勢；在氣相含率進一步增（zēng）加時，6%<β<14%，譜分（fèn）析法的平均誤差為3.975%，*大誤差為14.058%，脈衝計數法（fǎ）的平均誤差為20.053%，*大誤差為33.130%，脈衝計數的方法（fǎ）得到的測量誤差遠大於（yú）譜分（fèn）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（xiàng）流動（dòng）中，由（yóu）於氣泡對旋渦發生體的撞擊作用，氣（qì）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（dù）減弱，使旋渦脈衝數缺失，缺失的旋渦數不穩定，使脈衝（chōng）計（jì）數方法測量的誤差增（zēng）大，而譜分析的方法在一（yī）段時域內（nèi）得到主頻（pín）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（fèn）析方法要（yào）好於脈衝計數（shù）的方法。


5、結束（shù）語
從試驗結（jié）果來看，過（guò）熱蒸汽流量（liàng）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，一方麵，氣體在液體中會形成（chéng）氣泡，在旋渦發生體的後部形成（chéng）氣團，並且旋渦中心會出現一個（gè）低壓區，吸（xī）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，導致檢測過程中脈衝缺失現象出現；另一方麵，由於旋渦的能量降（jiàng）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。其它方麵，旋渦（wō）發（fā）生體後的氣團，旋渦中心區氣泡的（de）含量、旋渦外的（de）氣泡量、氣泡的大小等（děng）等都會影響測量的結果。
通過上（shàng）述的試驗結果及分析表明，單相液體中混入少量的（de）氣（qì）體時會導致渦街（jiē）旋渦強度變弱和（hé）可（kě）靠性變差（chà），在這種條件（jiàn）下測（cè）量時譜分（fèn）析的方法在氣含率不大（dà）時（0<β<6%）與脈衝計數的方法差別不大，但隨著氣含率的進一步增加（6%<β<14%），譜分析的方法要好於脈衝計數的方法。

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