關于過熱蒸汽流量計在含氣液體介質測量中的試驗研究
點擊次數：1645 發布時間：2021-01-07 15:42:51
流動流體中旋渦的出現,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,運用到流量測量中去,便成功地設計制造了卡門過熱蒸汽流量計，當流體流過阻擋體時會在阻擋體的兩側交替產生旋渦，這種現象稱為卡門渦街。20世紀60年代日本首先利用卡門渦街現象研制出過熱蒸汽流量計，此后過熱蒸汽流量計由于其諸多優點得以在工業領域廣泛應用。
在單相流體介質條件下對過熱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到了大量有價值的試驗結果，并應用到過熱蒸汽流量計的開發中，使得過熱蒸汽流量計的測量精度、可靠性得到了很大的提高。工業測量中經常會有這樣的情況出現：液體管道中有時會混入少量的氣體，被測流質變成了氣液兩相流。由于氣液兩相流的復雜性，研究這種條件下過熱蒸汽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進行了研究，對不同截面含氣率下渦街的結構以及斯特勞哈爾數的變化進行了大量的試驗研究，并給出了斯特勞哈爾數隨截面含氣率而變化的公式。李永光的工作主要是從流體力學的角度對氣液兩相流中渦街現象的機理進行了研究，其給出的試驗結果涉及到截面含氣率的測量。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過熱蒸汽流量計測量結果的變化情況，并且測量結果分別用譜分析和脈沖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析要明顯優于脈沖計數的方式。
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和空氣組成，分別送入管道混和成氣液兩相流送入試驗管段。試驗裝置如圖1所示。試驗裝置由空氣壓縮機、儲氣罐、蓄水罐、分離罐、流量計、壓力變送器、溫度變送器、工控機和各種閥門組成。
空氣壓縮機將空氣壓縮后送入儲氣罐，標準流量計1計量氣液混合前儲氣罐送入管道的氣體流量。蓄水罐距離地面30m，提供試驗所需的液相，其流量由標準流量計2測得。液相和氣相經混和器混和后送入試驗管段，最后流入分離罐將水和空氣進行分離，空氣由放氣閥排出，水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和顯示并對兩個電動調節閥進行控制，調節氣相和液相的流量。
試驗所用的過熱蒸汽流量計選擇了一臺應用最多的壓電式渦街流量傳感器，其口徑的直徑D=50mm。將渦街傳感器放置在水平直管段上，其上下游直管段長度分別為30D和20D。壓力變送器和溫度變送器分別放在渦街流量傳感器上游1D和下游10D的位置，混和器安裝在過熱蒸汽流量計上游30D的位置。
圖1 氣液兩相流試驗裝置
1.2 試驗方法
通過流量計2的測量和調節電動閥2，水的流量取6、8、10、12m3/h四個流量值。通過電動閥1控制，流量計1顯示空氣注入量的范圍為0.3～1.8m3/h，其壓力范圍為0.4～0.5MPa。 目前工業中應用的過熱蒸汽流量計大部分是脈沖輸出，即將旋渦信號轉化為脈沖信號，通過對脈沖信號計數計算出旋渦脫落的頻率。脈沖輸出的過熱蒸汽流量計主要的缺點是易受噪聲干擾，對于小流量來說由于信號微弱難以與噪聲區別。近幾年隨著數字信號處理技術的發展，出現了以DSP為核心，具有譜分析功能的過熱蒸汽流量計，這種方法提高了對微弱渦街頻率信號的識別?？紤]到這兩種不同類型過熱蒸汽流量計在工業現場使用，試驗中同時用譜分析方法和脈沖計數方法對渦街頻率進行計算，并對兩種方法進行了比較。
過熱蒸汽流量計的轉換電路流程圖如圖2所示。以5000Hz的頻率對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里葉變換得到不同測量點渦街產生的頻率，同時通過脈沖計數的方法對B點采樣。
2、過熱蒸汽流量計的標定
將過熱蒸汽流量計在標準水裝置上，分別用頻譜分析和脈沖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系數用公式（1）計算，然后用式（2）計算得到最終儀表系數K。Ql為被測水的流量值，f為每一個流量點得到的頻率，k為每個測量點得到的儀表系數。kmax、kmin分別為試驗流量范圍內得到的最大與最小的儀表系數。儀表系數的線性度E1用式（3）來計算。
譜分析和脈沖計數兩種不同方法計算出的過熱蒸汽流量計儀表系數分別為：Ks=10107p/m3；Kc=10143p/m3；計算得到的儀表系數線性度分別為：1.2%和1.5%。圖3為儀表系數隨水流量值變化的曲線，可以看出，在試驗所選流量范圍內，儀表系數近似于一個常數，頻譜分析的結果與脈沖計數所得到的試驗結果差別不大，之間的誤差范圍為0.109%～0.688%?？梢姳粶y介質全部為水時兩種測量方法并沒有明顯的區別。
3、渦街信號分析
試驗發現，氣相的加入對過熱蒸汽流量計測量的影響顯著，譜分析和脈沖計數兩種方法隨著氣相注入的增加其表現也不同。圖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；經譜分析后得到的頻率值，如圖4（d～f）所示；用脈沖計數方法得到的脈沖信號，如圖4（g～i）所示。圖4顯示，當注入氣量不大時，對過熱蒸汽流量計的影響不大，無論是譜分析結果還是脈沖計數得到的結果都比較好。當注入的氣量進一步增加時，渦街原始信號強度和穩定性逐漸變差，渦街頻率信號會被干擾信號所淹沒，反映到譜分析圖是，渦街頻率的譜能量減小，干擾信號的譜能量加強；對于脈沖信號，會因為一些旋渦信號減弱，形成脈沖缺失現象，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的變化情況。結果顯示，對于不同的水流量，當注入的氣體流量增加到一定范圍時，不能再檢測到渦街信號；在一定水流量下，隨著注氣量的增加譜分析得到的頻率值會變大，這是由于總的體積流量增加了，而脈沖計數法則由于產生脈沖缺失現象所得到的頻率值減小。因此在氣液兩相流下，譜分析比脈沖計數法有優勢，它能在較高的含氣量依然能檢測到旋渦脫落的頻率。
4、過熱蒸汽流量計的誤差分析
將試驗數據進行處理，得到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為脈沖計數方法的測量誤差。過熱蒸汽流量計的測量誤差用式（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值。將譜分析和脈沖計數得到的頻率值和儀表系數分別代入式（5）計算Qt值。從圖中可以看出氣相含率的增加兩種測量方法得到的誤差并不相同。當含氣率不高時，0<β<6%，譜分析法的平均誤差為1.226%，最大誤差為2.687%，脈沖計數法的平均誤差為1.583%，最大誤差為2.898%，因此譜分析法與脈沖計數法的測量誤差區別不大，譜分析沒有明顯的優勢；在氣相含率進一步增加時，6%<β<14%，譜分析法的平均誤差為3.975%，最大誤差為14.058%，脈沖計數法的平均誤差為20.053%，最大誤差為33.130%，脈沖計數的方法得到的測量誤差遠大于譜分析方法。
含氣液體測量誤差產生的主要原因是：在氣液兩相流動中，由于氣泡對旋渦發生體的撞擊作用，氣泡對邊界層和旋渦脫落的影響，以及旋渦吸入氣泡使其強度減弱，使旋渦脈沖數缺失，缺失的旋渦數不穩定，使脈沖計數方法測量的誤差增大，而譜分析的方法在一段時域內得到主頻譜作為渦街頻率值，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析方法要好于脈沖計數的方法。
5、結束語
從試驗結果來看，過熱蒸汽流量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，一方面，氣體在液體中會形成氣泡，在旋渦發生體的后部形成氣團，并且旋渦中心會出現一個低壓區，吸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，導致檢測過程中脈沖缺失現象出現；另一方面，由于旋渦的能量降低，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。其它方面，旋渦發生體后的氣團，旋渦中心區氣泡的含量、旋渦外的氣泡量、氣泡的大小等等都會影響測量的結果。
通過上述的試驗結果及分析表明，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，在這種條件下測量時譜分析的方法在氣含率不大時（0<β<6%）與脈沖計數的方法差別不大，但隨著氣含率的進一步增加（6%<β<14%），譜分析的方法要好于脈沖計數的方法。
在單相流體介質條件下對過熱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到了大量有價值的試驗結果，并應用到過熱蒸汽流量計的開發中，使得過熱蒸汽流量計的測量精度、可靠性得到了很大的提高。工業測量中經常會有這樣的情況出現：液體管道中有時會混入少量的氣體，被測流質變成了氣液兩相流。由于氣液兩相流的復雜性，研究這種條件下過熱蒸汽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進行了研究，對不同截面含氣率下渦街的結構以及斯特勞哈爾數的變化進行了大量的試驗研究，并給出了斯特勞哈爾數隨截面含氣率而變化的公式。李永光的工作主要是從流體力學的角度對氣液兩相流中渦街現象的機理進行了研究，其給出的試驗結果涉及到截面含氣率的測量。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過熱蒸汽流量計測量結果的變化情況，并且測量結果分別用譜分析和脈沖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析要明顯優于脈沖計數的方式。
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和空氣組成，分別送入管道混和成氣液兩相流送入試驗管段。試驗裝置如圖1所示。試驗裝置由空氣壓縮機、儲氣罐、蓄水罐、分離罐、流量計、壓力變送器、溫度變送器、工控機和各種閥門組成。
空氣壓縮機將空氣壓縮后送入儲氣罐，標準流量計1計量氣液混合前儲氣罐送入管道的氣體流量。蓄水罐距離地面30m，提供試驗所需的液相，其流量由標準流量計2測得。液相和氣相經混和器混和后送入試驗管段，最后流入分離罐將水和空氣進行分離，空氣由放氣閥排出，水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和顯示并對兩個電動調節閥進行控制，調節氣相和液相的流量。
試驗所用的過熱蒸汽流量計選擇了一臺應用最多的壓電式渦街流量傳感器，其口徑的直徑D=50mm。將渦街傳感器放置在水平直管段上，其上下游直管段長度分別為30D和20D。壓力變送器和溫度變送器分別放在渦街流量傳感器上游1D和下游10D的位置，混和器安裝在過熱蒸汽流量計上游30D的位置。
圖1 氣液兩相流試驗裝置
1.2 試驗方法
通過流量計2的測量和調節電動閥2，水的流量取6、8、10、12m3/h四個流量值。通過電動閥1控制，流量計1顯示空氣注入量的范圍為0.3～1.8m3/h，其壓力范圍為0.4～0.5MPa。 目前工業中應用的過熱蒸汽流量計大部分是脈沖輸出，即將旋渦信號轉化為脈沖信號，通過對脈沖信號計數計算出旋渦脫落的頻率。脈沖輸出的過熱蒸汽流量計主要的缺點是易受噪聲干擾，對于小流量來說由于信號微弱難以與噪聲區別。近幾年隨著數字信號處理技術的發展，出現了以DSP為核心，具有譜分析功能的過熱蒸汽流量計，這種方法提高了對微弱渦街頻率信號的識別?？紤]到這兩種不同類型過熱蒸汽流量計在工業現場使用，試驗中同時用譜分析方法和脈沖計數方法對渦街頻率進行計算，并對兩種方法進行了比較。
過熱蒸汽流量計的轉換電路流程圖如圖2所示。以5000Hz的頻率對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里葉變換得到不同測量點渦街產生的頻率，同時通過脈沖計數的方法對B點采樣。
2、過熱蒸汽流量計的標定
將過熱蒸汽流量計在標準水裝置上，分別用頻譜分析和脈沖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系數用公式（1）計算，然后用式（2）計算得到最終儀表系數K。Ql為被測水的流量值，f為每一個流量點得到的頻率，k為每個測量點得到的儀表系數。kmax、kmin分別為試驗流量范圍內得到的最大與最小的儀表系數。儀表系數的線性度E1用式（3）來計算。
譜分析和脈沖計數兩種不同方法計算出的過熱蒸汽流量計儀表系數分別為：Ks=10107p/m3；Kc=10143p/m3；計算得到的儀表系數線性度分別為：1.2%和1.5%。圖3為儀表系數隨水流量值變化的曲線，可以看出，在試驗所選流量范圍內，儀表系數近似于一個常數，頻譜分析的結果與脈沖計數所得到的試驗結果差別不大，之間的誤差范圍為0.109%～0.688%?？梢姳粶y介質全部為水時兩種測量方法并沒有明顯的區別。
3、渦街信號分析
試驗發現，氣相的加入對過熱蒸汽流量計測量的影響顯著，譜分析和脈沖計數兩種方法隨著氣相注入的增加其表現也不同。圖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；經譜分析后得到的頻率值，如圖4（d～f）所示；用脈沖計數方法得到的脈沖信號，如圖4（g～i）所示。圖4顯示，當注入氣量不大時，對過熱蒸汽流量計的影響不大，無論是譜分析結果還是脈沖計數得到的結果都比較好。當注入的氣量進一步增加時，渦街原始信號強度和穩定性逐漸變差，渦街頻率信號會被干擾信號所淹沒，反映到譜分析圖是，渦街頻率的譜能量減小，干擾信號的譜能量加強；對于脈沖信號，會因為一些旋渦信號減弱，形成脈沖缺失現象，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的變化情況。結果顯示，對于不同的水流量，當注入的氣體流量增加到一定范圍時，不能再檢測到渦街信號；在一定水流量下，隨著注氣量的增加譜分析得到的頻率值會變大，這是由于總的體積流量增加了，而脈沖計數法則由于產生脈沖缺失現象所得到的頻率值減小。因此在氣液兩相流下，譜分析比脈沖計數法有優勢，它能在較高的含氣量依然能檢測到旋渦脫落的頻率。
4、過熱蒸汽流量計的誤差分析
將試驗數據進行處理，得到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為脈沖計數方法的測量誤差。過熱蒸汽流量計的測量誤差用式（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值。將譜分析和脈沖計數得到的頻率值和儀表系數分別代入式（5）計算Qt值。從圖中可以看出氣相含率的增加兩種測量方法得到的誤差并不相同。當含氣率不高時，0<β<6%，譜分析法的平均誤差為1.226%，最大誤差為2.687%，脈沖計數法的平均誤差為1.583%，最大誤差為2.898%，因此譜分析法與脈沖計數法的測量誤差區別不大，譜分析沒有明顯的優勢；在氣相含率進一步增加時，6%<β<14%，譜分析法的平均誤差為3.975%，最大誤差為14.058%，脈沖計數法的平均誤差為20.053%，最大誤差為33.130%，脈沖計數的方法得到的測量誤差遠大于譜分析方法。
含氣液體測量誤差產生的主要原因是：在氣液兩相流動中，由于氣泡對旋渦發生體的撞擊作用，氣泡對邊界層和旋渦脫落的影響，以及旋渦吸入氣泡使其強度減弱，使旋渦脈沖數缺失，缺失的旋渦數不穩定，使脈沖計數方法測量的誤差增大，而譜分析的方法在一段時域內得到主頻譜作為渦街頻率值，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析方法要好于脈沖計數的方法。
5、結束語
從試驗結果來看，過熱蒸汽流量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，一方面，氣體在液體中會形成氣泡，在旋渦發生體的后部形成氣團，并且旋渦中心會出現一個低壓區，吸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，導致檢測過程中脈沖缺失現象出現；另一方面，由于旋渦的能量降低，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。其它方面，旋渦發生體后的氣團，旋渦中心區氣泡的含量、旋渦外的氣泡量、氣泡的大小等等都會影響測量的結果。
通過上述的試驗結果及分析表明，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，在這種條件下測量時譜分析的方法在氣含率不大時（0<β<6%）與脈沖計數的方法差別不大，但隨著氣含率的進一步增加（6%<β<14%），譜分析的方法要好于脈沖計數的方法。