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關於乙烯流量計在含氣液體介質測量中的試驗研究

點擊次(cì)數:1981 發布時間:2021-01-08 07:19:41
流動流(liú)體中旋渦(wō)的出(chū)現,是增大流動阻力、造成較大能量損失的重要原因。所以,在流體輸送中應盡量避免或減少旋渦產生的機會。但隨著人們對旋渦產生和運動規律的認(rèn)識不斷(duàn)深化,在工程實踐中有意識地加以運用,如近年來人(rén)們對卡門渦街的旋渦研究取得了新的成果,運用到流量測量中去(qù),便成功地設計製造了卡門乙烯流量計,當流(liú)體流過阻(zǔ)擋(dǎng)體時會在阻擋體的兩側交替產生(shēng)旋渦,這(zhè)種現象稱為卡門渦街。20世紀60年代日(rì)本*先利用卡門渦街現象研製出(chū)乙(yǐ)烯(xī)流量計,此(cǐ)後乙(yǐ)烯流量(liàng)計由於其諸多優點得以在工業領域(yù)廣泛應用。
在單相流體介質條(tiáo)件下對乙烯流量計的(de)研究相對比(bǐ)較成熟,研究者通過(guò)試驗的方法得到了大量有價值的試(shì)驗結果,並應用到乙烯流量(liàng)計的開發中(zhōng),使得乙烯流量計(jì)的測量精度、可靠性得到了很大的提高。工業測量中經常會有這樣(yàng)的(de)情(qíng)況出現:液體管道中有時會混入少量的(de)氣體,被測流質變成了氣液兩(liǎng)相流。由於氣液兩相流的複雜性,研(yán)究(jiū)這種條件下乙烯流量計測量特性的文章不多。西安交通大學的李永光曾經在氣液兩相流的豎直管道上,對不同形狀的渦街發生體(tǐ)進行了研究(jiū),對(duì)不同截麵(miàn)含氣(qì)率下渦街的結構以及斯特勞哈爾數的變化進行(háng)了大量的試驗研究,並給出了斯(sī)特勞哈爾數隨截麵含氣率而變化(huà)的公(gōng)式。李永光的工作主要是從流體力學的角度對氣液兩相(xiàng)流中渦街現象(xiàng)的機理進行(háng)了研究(jiū),其給出的試驗結果涉及到截麵含氣率的測量。本文通過試驗從測量的角度,研究了水平管道中含有少量氣體的液體條件下乙烯流量(liàng)計(jì)測量結果的變化情況,並且測量結(jié)果(guǒ)分別用譜分析和脈衝計數兩種測量方式得到,通過比較發現在液含氣流體條件下譜分(fèn)析要明(míng)顯(xiǎn)優於脈衝計數的方式。
1、試驗裝置(zhì)與試(shì)驗方法
1.1試驗裝置
試驗介質由已(yǐ)測(cè)定流量的水和空氣組成,分(fèn)別送入管道混和成氣液(yè)兩相流(liú)送入試驗管(guǎn)段。試驗(yàn)裝置(zhì)如(rú)圖(tú)1所示。試(shì)驗(yàn)裝置由空(kōng)氣(qì)壓縮機(jī)、儲氣罐、蓄水罐、分離罐、流量計、壓力變送(sòng)器(qì)、溫度變送器、工控機和各種閥(fá)門組成(chéng)。
空氣壓縮機將空氣壓縮後送入儲(chǔ)氣(qì)罐,標準流量計1計量氣液混合前(qián)儲氣罐送入管道(dào)的氣體流量。蓄水罐距離地麵30m,提供試驗所需的(de)液相,其流量由標準流量計2測(cè)得(dé)。液相和氣相經混和(hé)器混和後送入(rù)試驗管段,*後流入分離罐將水和空(kōng)氣進行(háng)分離,空氣(qì)由放氣閥排出,水(shuǐ)由水泵送回蓄水罐循環使用。工控機對所有儀表數據進行采集(jí)和顯示(shì)並對兩個電動調節閥進行控製,調節(jiē)氣相和液相的流量。
試驗所用(yòng)的乙烯流量計選擇了一台應用*多的壓(yā)電式渦街流量傳感器,其口徑的直徑D=50mm。將渦(wō)街傳感器(qì)放置在水(shuǐ)平直管段上(shàng),其上下(xià)遊直管(guǎn)段長度分別(bié)為30D和20D。壓力變送器和溫(wēn)度變送器分別放(fàng)在渦街流量(liàng)傳感器上遊1D和下遊10D的位置,混和器安裝在乙烯流量計上遊30D的位置。

圖(tú)1 氣液兩相流試驗裝置
1.2 試驗方(fāng)法
通過流(liú)量計2的測量和(hé)調節電動閥2,水的流量取6、8、10、12m3/h四個(gè)流量值。通過電動閥1控製,流量計(jì)1顯(xiǎn)示空(kōng)氣注入量的(de)範圍為0.3~1.8m3/h,其壓力(lì)範圍為0.4~0.5MPa。     目(mù)前工業中應用的乙烯流量計大部分是脈衝輸出,即將旋渦信號轉化為脈衝信號(hào),通過對脈衝信號計數計算出旋渦(wō)脫落的頻率(lǜ)。脈衝輸出的乙烯流量計主要的缺點是易受噪聲幹擾,對於小流量來說由於信號微弱難以與(yǔ)噪(zào)聲(shēng)區別。近幾年隨著數字信(xìn)號處理技術的發展,出現了(le)以DSP為核心,具有(yǒu)譜分析功能的乙烯流量計,這種方法提高了對(duì)微弱渦(wō)街(jiē)頻率信(xìn)號的識(shí)別。考慮(lǜ)到這兩種不同類型乙烯流量計在工業現場使用,試驗中同時用譜分(fèn)析方法和脈衝計數方法對渦街(jiē)頻率進行計算,並對兩種方(fāng)法進行了比較。
乙烯流量計的轉換電路流程圖(tú)如圖2所示。以5000Hz的頻率對A點的模擬信號(hào)進行采樣(yàng),每次采樣10組數據,每組數據有5×104個采樣點(diǎn),將得到的采樣點進行傅裏葉變換得到不同測(cè)量(liàng)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、乙烯流量計的標定
乙烯流量計在標準水裝置上,分別用頻譜分析和脈衝計數的方法進行標定,流體介質為水未加氣體,采用的標準傳感器為(wéi)精度等級為0.2級(jí)的電磁流量計。在每個流量測量點上(shàng)的(de)儀表係(xì)數用公式(shì)(1)計算,然後用(yòng)式(2)計算得到*終儀表(biǎo)係(xì)數K。Ql為被測水的流量值,f為(wéi)每一(yī)個流(liú)量(liàng)點得(dé)到的頻率,k為每個(gè)測量點得(dé)到的儀表係數。kmax、kmin分別為試驗流(liú)量範圍內(nèi)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(hé)脈衝計數(shù)兩(liǎng)種不同(tóng)方法計算出的乙烯流量計儀(yí)表係數(shù)分別為:Ks=10107p/m3;Kc=10143p/m3;計算得到的儀(yí)表係數線(xiàn)性度分別為:1.2%和1.5%。圖3為儀(yí)表係數隨水流量值變化的曲線,可以看出,在試驗所選(xuǎn)流(liú)量範圍內,儀表係數近似於一個常數,頻譜分析的結果與脈衝計數所得到的試驗結果差別不大,之間(jiān)的誤差(chà)範圍(wéi)為0.109%~0.688%。可見被測介質全部為水時兩(liǎng)種(zhǒng)測量方法並沒有明顯的區別。

3、渦街信號分析
試驗發現,氣相(xiàng)的加入對乙烯流量計測量的影響(xiǎng)顯著,譜(pǔ)分析和脈(mò)衝計數兩種方法隨著(zhe)氣相注入的增加其表現也不同。圖(tú)4反映了水流量12m3/h時,注入不同氣含率β時A點的模擬信號,如圖4(a~c)所示;經(jīng)譜分析後得到的頻率值,如圖4(d~f)所示;用脈衝計數方法得到的(de)脈衝信號,如圖(tú)4(g~i)所示。圖4顯示,當注入氣量不大時,對乙烯流量計的影響(xiǎng)不大,無論是(shì)譜分析結果還是脈衝計數得到的結果都比較好。當注入的氣量進一步增(zēng)加時,渦街原始信號強度和穩定性(xìng)逐漸變差,渦街頻率信號會被幹擾信號所淹沒,反(fǎn)映到譜分析圖是,渦街頻率(lǜ)的譜能量減(jiǎn)小,幹擾信號的譜能(néng)量加強;對於脈衝信(xìn)號,會(huì)因為一些旋渦(wō)信號減弱,形成脈衝缺失現象,而不能真實地反映渦街產生的頻率。

表1反映了不同流量點Ql下,隨著注氣量Qg的增加,渦街發生頻率fs和fc的變化情(qíng)況。結果顯(xiǎn)示,對於不同(tóng)的水流量,當(dāng)注入的氣體流量增加到一定範圍(wéi)時,不能再檢測到渦街信號;在(zài)一(yī)定水流(liú)量(liàng)下,隨著注氣量的增加譜分析得到的頻率值會變大,這是由於總的體積(jī)流量增加了,而脈(mò)衝計數法則由於產生脈衝缺失現象所得到(dào)的頻(pín)率值(zhí)減小。因此在氣(qì)液兩相流下(xià),譜分析比(bǐ)脈衝(chōng)計數法有優勢,它能在(zài)較高的含氣量依然能檢測到旋渦脫落的(de)頻率。


4、乙烯流量計的誤差分析
將試驗數據(jù)進行處理,得到了乙烯流量(liàng)計測量誤差隨氣相含率變化的情況,如圖5所(suǒ)示。其中δs為譜分析方(fāng)法的測量誤差,δc為脈(mò)衝計數方法的測量誤差。乙烯流量計的測量誤差用式(4)來計算。其中Qs為裝(zhuāng)置中標準表測量出的管道總流量,Qt為試驗管段中乙烯(xī)流量計的(de)測量值。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。從圖中可以看出氣(qì)相含率的增加兩種測量方法得到的(de)誤(wù)差並不相同。當含氣率不(bú)高時,0<β<6%,譜(pǔ)分(fèn)析法的平均誤(wù)差為1.226%,*大誤差為2.687%,脈衝(chōng)計(jì)數法的平均(jun1)誤差(chà)為1.583%,*大誤差為2.898%,因此譜分析法與脈衝計數法的測量(liàng)誤差區別不大,譜分析沒有明顯的優勢;在氣相含(hán)率進一步增加時,6%<β<14%,譜分(fèn)析法的平均誤差為3.975%,*大誤差為14.058%,脈衝計數法的平均誤(wù)差為20.053%,*大誤差為(wéi)33.130%,脈衝計(jì)數的方法得到的測(cè)量誤差遠大於譜分析方法。
含氣液體測量誤差產生的主要原因是:在氣液兩相流動中,由於氣泡(pào)對旋渦發生體的撞擊作用,氣泡對邊界層和旋渦脫落的影(yǐng)響,以及旋渦吸入氣泡使其強度減弱,使旋渦脈衝數缺失,缺失的旋渦數不穩定,使脈衝計數方(fāng)法測量的誤差增大,而譜分析的方法在一段時域內(nèi)得(dé)到主頻譜作為渦(wō)街頻率值,減(jiǎn)小了旋渦缺失對測量的影響。所以含氣液體流體(tǐ)計量中譜分析方(fāng)法要好於脈衝計數的方法。


5、結束語
從試驗結果來看,乙烯流量(liàng)計在測量混有少(shǎo)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(yī)方麵,氣體(tǐ)在液(yè)體中會形成氣泡,在(zài)旋渦發生體的後部形成氣團,並且旋渦中心會出現一個低壓(yā)區,吸入(rù)大(dà)量質量較輕的氣泡,從(cóng)而削弱了旋渦的能量,使壓電傳(chuán)感器檢測不(bú)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(de)能量降低(dī),會增加流場本身對(duì)旋渦脫(tuō)落的擾動,進一步增加了測量的誤差。其它方麵(miàn),旋渦發生體後的氣(qì)團(tuán),旋渦中心(xīn)區氣泡的(de)含量、旋渦外的(de)氣泡量、氣(qì)泡的(de)大小等等都會(huì)影響測量的結果。
通過上述的試驗(yàn)結果(guǒ)及分析表明,單相液體中混入少量的氣體時會導致渦街旋渦強度變弱和可靠性變差,在這種條件下測(cè)量時譜分析的方法在氣含率不大時(0<β<6%)與脈衝計數(shù)的(de)方法差別不大,但(dàn)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(de)方法。

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