摘要:渦(wō)街流量(liang)計 可用(yòng)于部分(fen)混相流(liu)的測量(liang),但迄今(jīn)爲止有(you)關混相(xiàng)流對渦(wo)街流量(liang)計測量(liang)特性的(de)影響。在(zai)體積含(han)氣率爲(wèi)2.0%~15.0%的範圍(wei)内,評定(dìng)了㊙️用渦(wo)街流量(liàng)計測量(liàng)氣液混(hun)相流的(de)不确定(ding)度,提出(chu)渦街流(liu)量計測(cè)量❌氣液(ye)混相流(liú)的不确(què)定度計(ji)算式。實(shí)驗以空(kong)💞氣和水(shui)爲介質(zhì)産生氣(qi)液混相(xiang)流，渦街(jiē)信号通(tōng)過管壁(bì)差壓法(fa)采集,渦(wo)街頻率(lü)通過功(gōng)率譜分(fèn)析獲得(dé)。結果表(biao)明在保(bǎo)持渦街(jiē)流量計(jì)一定測(ce)量精度(dù)的前提(tí)下,渦街(jiē)流量計(ji)相對擴(kuò)展不确(que)定度随(suí)氣液混(hùn)相流流(liu)量及其(qí)體積含(hán)氣率的(de)分布✊比(bǐ)較均勻(yun);在⛱️渦街(jie)頻率測(cè)量的不(bú)确定度(du)🎯分量中(zhong),由重複(fú)性和複(fú)現✍️性引(yǐn)起的相(xiàng)對🔞标準(zhǔn)不确🧡定(dìng)度随流(liu)量的變(biàn)化呈現(xiàn)出較強(qiáng)的随機(ji)性,而由(yóu)頻率分(fèn)辨率引(yǐn)起的相(xiàng)對标準(zhun)不确定(dìng)度則随(suí)着流量(liang)的增加(jia)而減小(xiao)。在流量(liàng)與體積(jī)含氣率(lǜ)🔴範圍内(nei),由氣液(yè)混相流(liú)引起的(de)渦街流(liu)量計附(fu)加相對(duì)不确定(dìng)度小于(yu)2.0%。分析氣(qì)液混相(xiàng)流對渦(wō)街流量(liàng)計測量(liang)特性的(de)影響提(ti)供了有(yǒu)益的借(jiè)鑒。
1引言(yán)
　　在工業(yè)生産過(guo)程中,爲(wèi)了有效(xiào)地指導(dao)生産操(cāo)作和控(kong)制㊙️生産(chǎn)♉過程,常(cháng)常需要(yao)檢測生(sheng)産過程(chéng)中各種(zhǒng)流動介(jie)㊙️質的流(liú)量,以便(biàn)爲管理(lǐ)和控制(zhi)生産提(ti)供依據(ju)。所以,對(duì)于流量(liang)測量方(fāng)法及儀(yí)表在現(xiàn)代化生(shēng)産中顯(xian)得十分(fèn)🌈重要。渦(wo)街流量(liang)計是一(yī)種基于(yú)流體振(zhen)動原理(lǐ)的新興(xìng)流量測(ce)量儀👄表(biao)，近年來(lái)發🔅展迅(xun)速,在能(néng)😘源、化工(gōng)、冶金等(deng)衆多過(guò)程工程(cheng)領域得(de)到了廣(guang)泛應用(yong)。渦街流(liú)量計的(de)輸出信(xin)号是與(yu)流🐪體平(ping)均流速(su)成正🏃‍♀️比(bǐ)的脈沖(chòng)頻率,不(bu)🔴受流體(tǐ)物性和(hé)組💁分變(biàn)化的影(ying)響。因此(ci),從理論(lùn)上講,渦(wo)🐇街流量(liang)計除了(le)用于液(ye)體、氣體(tǐ)和蒸汽(qì)流量測(cè)量以外(wai)，甚至還(hai)可以用(yong)🌈于部分(fen)混相流(liu)的測量(liang)。然而,目(mu)前關🌈于(yu)混相流(liú)對渦街(jiē)流量計(ji)✌️的影💘響(xiang),還缺少(shǎo)理論和(hé)實✌️踐經(jīng)驗📧,雖然(rán)開展了(le)一些渦(wō)街流量(liàng)計測量(liàng)混相流(liú)方面的(de)試驗,但(dàn)還處于(yu)探索階(jie)段.
　　不确(que)定度是(shì)表征合(he)理地賦(fù)予被測(cè)量值的(de)分散性(xing),與測量(liàng)結果相(xiang)聯系的(de)參數。不(bú)确定度(du)是說明(ming)測量水(shuǐ)平的主(zhǔ)要指标(biāo)，是表示(shi)測量質(zhi)量的重(zhòng)要依據(ju)。不确定(dìng)度對科(kē)學、工程(cheng)及商貿(mào)中大量(liàng)存在的(de)測量結(jié)果的處(chù)理與表(biao)示都具(ju)有普遍(bian)的指導(dao)意義。但(dan)是,目前(qian)對于渦(wō)街流量(liang)計不确(que)定度還(hái)比較少(shao)。
　　在對渦(wō)街流量(liàng)計測量(liàng)單相流(liu)不确定(ding)度的基(ji)礎上,對(duì)測量模(mó)型和算(suàn)法進行(háng)了改進(jìn),将其應(yīng).用于氣(qi)液混相(xiang)流不确(que)定🔅度的(de)評定,分(fèn)析了氣(qì)液混相(xiang)流流量(liàng)及其體(ti)積含氣(qi)率對渦(wō)街流量(liang)計不确(que)定度的(de)影響⚽,讨(tǎo)論了各(ge)不确定(dìng)度🔞分量(liang)的影響(xiǎng)因素,由(you)氣液混(hun)相流引(yin)起的渦(wō)街流量(liang)計附💞加(jiā)不确定(dìng)度。
2測量(liang)原理與(yǔ)實驗
2.1渦(wō)街流量(liàng)計測量(liàng)原理
　　在(zai)流體中(zhong)垂直于(yú)流向插(cha)入一根(gēn)非流線(xiàn)型柱狀(zhuang)物體(即(ji)旋🆚渦發(fa)生體),當(dāng)滿足一(yī)定條件(jian)時,旋渦(wō)發生體(ti)🔞的兩☂️側(ce)将出現(xiàn)兩排旋(xuán)轉方向(xiang)相反、交(jiao)替産生(sheng)的非對(dui)稱的旋(xuán)渦列(即(jí)卡門渦(wō)街,簡稱(chēng)渦街),它(tā)的頻率(lü)與流體(ti)平均流(liu)速成正(zhèng)比，因此(cǐ),通過檢(jiǎn)測渦✌️街(jiē)的頻率(lü),根據有(you)關的關(guan)系式可(ke)以獲得(dé)流體的(de)💰流量。
 
　　式(shì)中:ƒ一渦(wō)街頻率(lü);u一流體(tǐ)平均速(sù)度;d一旋(xuan)渦發生(shēng)體迎🎯面(mian)寬度;D一(yi)管道内(nei)徑;
　　U1一旋(xuán)渦發生(sheng)體兩側(ce)的平均(jun)流速;St一(yī)斯特勞(láo)哈爾數(shù);m一♋旋渦(wō)發生體(ti)兩側弓(gong)形面積(jī)與管道(dào)橫截面(mian)面積之(zhi)比。
管道(dao)内流體(ti)的體積(ji)流量qv爲(wèi):
 
式中:K一(yī)渦街流(liu)量計的(de)儀表系(xì)數。
　　式(3)爲(wei)渦街流(liú)量計測(cè)量的基(ji)本關系(xì)式,其中(zhōng)儀表系(xi)數K除了(le)與旋渦(wo)發生體(tǐ)、管道的(de)幾何尺(chi)寸有關(guan)外,還與(yu)斯特勞(lao)哈爾數(shù)有關。斯(si)特勞哈(hā)爾數爲(wei)無量綱(gāng)參數,它(tā)與旋渦(wō)發生體(tǐ)形狀及(ji)雷♊諾數(shu)有關,在(zài)雷諾數(shù)爲5x103~7x106範圍(wéi)内,St可視(shi)爲常數(shù)。渦街流(liú)量計輸(shū)出的脈(mo)沖頻率(lǜ)信号不(bú)受流體(tǐ)物性和(hé)組分變(bian)化的影(ying)響,可适(shì)用于液(yè)體、氣體(ti)㊙️、蒸汽和(hé)部分混(hùn)相流的(de)測量。
2.2實(shi)驗裝置(zhì)和過程(cheng)
　　實驗系(xi)統如圖(tu)1所示,采(cǎi)用空氣(qi)和水作(zuò)爲實驗(yàn)介，質來(lai)産生混(hùn)相流。空(kōng)氣和水(shui)先分别(bie)經标準(zhǔn)流量計(jì)測量流(liu)量,然後(hòu)進人混(hun)相器😄充(chōng)分混合(hé)後,再流(liu)經實驗(yàn)渦街流(liu)量計。實(shí)驗渦街(jiē)流量計(ji)的内徑(jìng)爲50mm,旋渦(wō)發生體(tǐ)爲準梯(tī)形,迎流(liú)面寬度(du)爲14mm,不确(què)定度爲(wèi)1.0%。渦街頻(pin)率信号(hao)通過管(guǎn)壁差壓(ya)法獲取(qǔ),采樣頻(pin)率爲2500Hz,采(cǎi)樣時間(jian)4s,每個采(cai)集的時(shi)間序列(liè)包含10000個(gè)🔴數據點(diǎn)，因此頻(pin)率分辨(biàn)率爲0.31Hz。
 
　　空(kōng)氣标準(zhun)流量計(jì)采用不(bú)确定度(du)爲1.0%的渦(wo)街流量(liang)計㊙️,水标(biāo)準流量(liàng)🚩計采用(yong)不确定(dìng)度爲0.5%的(de)電磁流(liu)量計。标(biāo)準流量(liàng)計和實(shí)驗渦街(jiē)流量計(jì)所在處(chu)的溫度(du)和壓力(lì)也同時(shi)測量,用(yòng)以補償(chang)因管道(dào)和混相(xiang)器的壓(yā)損引起(qi)的空氣(qi)和水體(ti)積的變(biàn)化。經計(ji)算,實驗(yàn)渦街流(liu)💃量計處(chu)空氣流(liu)量qva爲0~2.0m³·h-1,水(shuǐ)流量爲(wèi)qvw10.0~18.5m³·h-1,混相流(liu)的體積(jī)含氣㊙️率(lǜ):
 
　　實驗中(zhong)β值爲2.0%~15.0%。對(dui)每種固(gu)定組分(fèn)(即體積(jī)含氣率(lǜ))的氣液(ye)🏃混相流(liu),實🔅驗在(zài)重複性(xing)條件下(xia)進行了(le)六次,在(zai)複現性(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(dù)傳播律(lü)
　　對于渦(wō)街流量(liang)計,其儀(yí)表系數(shù)K必須通(tōng)過實流(liu)Qv8标定确(que)定,對于(yu)🌈混相流(liú)的測量(liang),有:
9v8=qvs8+qvsw(6)
　　式中(zhōng):qvs8一空氣(qì)标準流(liu)量計的(de)示數;qvsw一(yi)水标準(zhun)流量計(ji)的🈚示數(shù)。
　　因此,渦(wo)街流量(liang)計測量(liang)氣液混(hùn)相流時(shí)的測量(liang)模型可(kě)以寫成(chéng):
qv=F(ƒ,qvs8,qvsw)(7)
　　根據ISO-GUM和(hé)JJF1059-1999的規定(ding),渦街流(liú)量計測(ce)量氣液(ye)混相流(liú)合成标(biāo)🆚準不确(què)定度的(de)傳播律(lü)爲:
 
　　式中(zhong):U1(ƒ),U2(ƒ),U3(ƒ)一-在渦(wō)街頻率(lü)測量中(zhōng)由重複(fu)性、複現(xiàn)性、頻率(lǜ)分辨率(lü)引📧起的(de)相對标(biao)準不确(què)定度。
　　最(zui)後，可以(yi)得到渦(wo)街流量(liàng)計測量(liang)氣液混(hùn)相流時(shí),置信🧑🏾‍🤝‍🧑🏼概(gai)率爲95%的(de)相對擴(kuo)展不确(que)定度爲(wèi):
U(qv)=2Uc(qv)(14)
4實驗結(jié)果與讨(tao)論
4.1數據(ju)處理
4實(shí)驗結果(guǒ)與讨論(lun)
4.1數據處(chù)理
　　首先(xian),采用十(shi)階Butterworth帶通(tōng)濾波器(qì)對管壁(bì)差壓法(fa)檢測的(de)信♋号進(jin)行處理(li),以消除(chú)管道振(zhen)動和流(liú)體湍動(dong)等幹擾(rao)的🏃🏻影響(xiǎng)。由于在(zài)實驗流(liu)量範圍(wéi)内渦街(jiē)頻率爲(wèi)10~60Hz,因此Butterworth濾(lǜ)波器的(de)頻率帶(dai)通範圍(wéi)設置爲(wei)3~300Hz。得到的(de)渦街流(liu)🧡量計輸(shu)出👌信号(hào)如圖☎️2所(suo)示。
　　然後(hòu),對Butterworth濾波(bo)器的輸(shu)出信号(hao)進行功(gong)率譜分(fen)析以獲(huo)得渦街(jiē)頻率。信(xìn)号的功(gong)率譜密(mi)度反映(ying)了信号(hào)的功率(lǜ)随頻率(lü)的分布(bu)。時域的(de)渦街信(xin)号在渦(wo)街頻率(lü)處出現(xiàn)能⭕量集(ji)中,所以(yi)通過譜(pu)分析方(fāng)法,将時(shí)域的信(xìn)👉号轉化(hua)到頻域(yù)，能方便(biàn)地提取(qu)出渦街(jiē)頻率值(zhí)。把Butterworth濾波(bō)器的輸(shu)出🔅信号(hào)x(n)的N點觀(guan)察數據(ju)xN(n)視爲🥰一(yī)能量有(yǒu)限信号(hào),直接取(qǔ)xN(n)的傅裏(li)葉變換(huàn)計⛹🏻‍♀️算xN(ejɷ),再(zài)将ɷ在單(dān)位圓上(shang)等間隔(gé)取⭐值計(ji)算XN(k),由離(lí)散傅裏(lǐ)葉變換(huàn)可得:
 
　　将(jiāng)計算得(de)到的渦(wō)街頻率(lǜ)和記錄(lù)的标準(zhun)流量計(jì)示數🤟代(dai)人式(4),可(kě)得實驗(yan)範圍内(nei)渦街流(liu)量計儀(yi)表系數(shu)❓的分🥰布(bù)情況，如(rú)圖3所示(shì)。可以看(kan)到,在實(shi)驗範圍(wéi)内,氣液(yè)混相流(liú)對渦🐉街(jie)流量計(jì)儀表系(xi)數造成(chéng)的附加(jiā)誤差在(zài)±3.0%以内。
 
4.2不(bu)确定度(du)估計
　　對(dui)于某一(yi)固定組(zu)分的氣(qì)液混相(xiang)流,其各(ge)不确定(ding)度分量(liàng)♉的計✊算(suàn)式爲:
 
　　式(shi)中:m,n-在重(zhong)複性和(he)複現性(xing)條件下(xià)的實驗(yàn)次數,m=1,2,..,6,n=1,2,.,6。
　　由(yóu)于U(qvs8)=1.0%,U(qvsw)=0.5%,因此(ci)将以上(shàng)計算結(jié)果代人(ren)式(12)~式(14),得(dé)到不同(tong)混相🧡組(zǔ)分(體積(jī)含氣率(lü))下渦街(jiē)流量計(ji)的相對(duì)擴展不(bu)确定度(dù)與流量(liàng)的關系(xi)，如圖4所(suo)示。從圖(tu)中可以(yi)看到💚,在(zai)混相流(liú)流量爲(wèi)10.0~20.0m3/h的實驗(yan)範圍内(nei),渦街流(liú)量計的(de)相對擴(kuò)展不确(que)定度比(bi)較均勻(yun)地分布(bù)于2.5%~3.5%之🐉間(jian)，流量值(zhí)的大小(xiao)對相對(duì)擴展不(bu)确定度(dù)的影響(xiang)不顯著(zhe)。
 
　　由于在(zai)實驗過(guò)程中采(cai)用的空(kōng)氣和水(shuǐ)标準流(liu)量計🔅一(yī)定,所以(yǐ)由它們(men)引人的(de)不确定(dìng)度也固(gu)定不變(bian),分别爲(wei)📱1.0%和0.5%。對于(yu)渦街頻(pín)✂️率的三(sān)個不确(que)定度分(fèn)量U1(ƒ),U2(ƒ),U3(ƒ),随流(liú)量的變(biàn)化趨勢(shì)并不相(xiàng)同。在不(bú)同流量(liang)下，U1(ƒ)和U2(ƒ)的(de)變化呈(cheng)現出較(jiao)強的随(sui)機性,這(zhè)反映了(le)測量過(guò)程中的(de)随機效(xiào)應。另一(yī)方面,U3(ƒ)則(zé)随着流(liú)量的增(zeng)加而變(bian)小，主要(yao)是由于(yú)實驗過(guò)程中信(xin)号的頻(pín)👈率分辨(bian)率保持(chi)爲0.31Hz(由采(cai)用頻率(lǜ)和采樣(yang)點數決(jue)定),而在(zài)流量較(jiào)大時渦(wo)街頻率(lǜ)也較大(dà),根據式(shi)✉️(19)可知U3(ƒ)将(jiang)随着流(liu)量的增(zēng)加而減(jian)🐪小。
4.3混相(xiang)流組分(fèn)對不确(que)定度的(de)影響
　　圖(tu)5給出了(le)不同混(hun)相流組(zu)分(即體(ti)積含氣(qi)率)時渦(wō)街流量(liàng)計的相(xiang)對擴展(zhan)不确定(dìng)度。與圖(tú)4中混相(xiàng)流流量(liàng)對相🤩對(duì)擴展不(bu)🈚确定度(dù)的影響(xiǎng)相似,在(zai)體積含(han)氣率爲(wèi)2.0%~15.0%的實驗(yàn)範圍内(nèi),渦街流(liú)量計🧑🏾‍🤝‍🧑🏼的(de)相對🌈擴(kuo)展不确(que)定度比(bi)較均勻(yun)地分布(bu)于2.5%~3.5%之間(jian),體積含(hán)氣率與(yǔ)相對擴(kuo)展不确(què)定度之(zhi)間沒有(yǒu)明顯的(de)依賴關(guān)系。
 
　　結合(he)圖4和圖(tú)5可見,在(zai)保持渦(wō)街流量(liang)計一定(ding)測量精(jīng)度的前(qián)提🈲下,混(hùn)相流流(liú)量及其(qi)體積含(hán)氣率對(duì)渦街流(liu)量計相(xiang)對不确(que)定度沒(méi)❄️有明顯(xian)的傾向(xiàng)性影響(xiang),即渦街(jie)流量計(ji)相對不(bú)确定度(du)随混相(xiàng)流流量(liàng)及其體(tǐ)積含氣(qì)率🐪的分(fen)布比🐉較(jiào)均勻。同(tóng)時在本(běn)中，由于(yu)實驗渦(wo)街流量(liàng)計的基(ji)本不确(que)定度爲(wei)1.0%,而測🏃🏻量(liang)氣液混(hun)相流時(shí)的總不(bú)确定度(dù)小于3.0%,因(yin)此,由氣(qi)液混相(xiang)流引起(qi)的渦街(jie)流量計(jì)附加相(xiang)對不确(que)定度小(xiǎo)于2.0%。
5結論(lùn)
　　用渦街(jiē)流量計(jì)測量體(tǐ)積含氣(qì)率爲2.0%~15.0%的(de)氣液混(hùn)相流的(de)不🙇🏻确定(ding)度,提出(chū)了渦街(jiē)流量計(jì)測量氣(qì)液混相(xiàng)流的不(bú)确定度(dù)計算式(shi)。實驗以(yi)空氣和(hé)水爲介(jie)質産生(sheng)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻氣液混(hùn)🥵相流,渦(wo)街信号(hao)♊通過管(guan)壁差壓(ya)法采集(ji),渦街頻(pín)率通過(guo)功率譜(pu)分析獲(huo)得。結果(guo)表明:
(1)在(zai)保持渦(wo)街流量(liang)計--定測(ce)量精度(du)的前提(tí)下,混相(xiàng)流流🔞量(liàng)及其♈體(ti)積含氣(qì)率對渦(wo)街流量(liang)計相對(dui)擴展不(bu)确定度(du)沒有明(ming)顯的傾(qing)向⭕性影(yǐng)響,即渦(wō)街流量(liàng)計相對(dui)擴展🈲不(bú)确定🐉度(dù)随混相(xiàng)流流量(liàng)及其體(ti)積含氣(qi)率的分(fèn)布比較(jiào)均勻。
(2)在(zài)渦街頻(pin)率測量(liàng)中由重(zhòng)複性、複(fu)現性、頻(pín)率分辨(biàn)率引起(qǐ)的相對(duì)标準不(bú)确定度(du)随流量(liàng)的變化(hua)趨勢不(bu)相同,其(qi)中㊙️由重(zhong)複性💋和(hé)複🧑🏽‍🤝‍🧑🏻現性(xìng)引起的(de)相對标(biao)準不确(què)定度随(suí)流量的(de)變化呈(chéng)現出較(jiao)強的随(suí)機性,而(ér)由頻率(lü)分辨率(lǜ)引起的(de)相對标(biao)準不确(què)定度⛹🏻‍♀️則(ze)随着流(liu)❤️量的增(zēng)加而逐(zhú)漸變小(xiao)。
(3)在混相(xiang)流流量(liàng)與體積(jī)含氣率(lǜ)範圍.内(nèi),由氣液(ye)混相流(liú)引起的(de)渦街流(liú)量計附(fù)加相對(dui)不确定(ding)度小于(yu)2.0%。

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