摘要:渦街流量計(jì) 可用于部分混相(xiàng)流的測量,但迄今(jin)爲止有關混相流(liu)對渦街流量計測(cè)量特性的影響。在(zài)體積含氣率🏃‍♀️爲2.0%~15.0%的(de)範圍㊙️内,評定了用(yòng)渦街流量計測量(liàng)氣液混相流的不(bú)确定度,提出渦街(jiē)流量㊙️計測量氣液(ye)混相流的不确定(ding)度計算式。實驗以(yǐ)空氣和水爲介質(zhì)産生氣液混相流(liu)，渦街信号通過管(guan)壁差壓♻️法采集,渦(wō)街頻率通過功率(lü)譜分析獲得。結果(guo)表明在保持渦街(jie)流量計一定測量(liang)精度的前提下,渦(wo)街流量計相對❗擴(kuo)❌展不确定度随氣(qi)液混相流流量及(jí)其體積含氣🌈率的(de)分布比較均勻;在(zài)渦街頻率測量的(de)不确🛀🏻定度分量中(zhong),由重複性和複現(xiàn)性引起的相對标(biao)準不确❌定度随流(liú)量的變化呈現出(chu)💋較強的随機性,而(ér)由頻㊙️率分辨率引(yin)起的相對标準不(bu)确定度則随着流(liú)量🌂的增加而減小(xiao)。在流量與體積含(hán)氣率範圍内,由氣(qì)液混相流引起的(de)渦街流量計附加(jiā)㊙️相對不确定❌度☔小(xiǎo)于2.0%。分析氣液混相(xiang)流對渦街🔴流量計(jì)測量特性的🎯影響(xiang)♻️提供了有益的借(jie)鑒。
1引言
　　在工業生(shēng)産過程中,爲了有(yǒu)效地指導生産操(cao)作和控制生産🏒過(guò)程,常常需要檢測(cè)生産過程中各種(zhǒng)流動介質的流量(liang),以便✏️爲管理和控(kòng)制生産提供依據(jù)💃。所以,對于流量測(cè)量方法及儀⁉️表在(zài)現代化生産中顯(xiǎn)得十分重要。渦街(jiē)流量計是一種基(ji)于流體振動原理(li)的新興流量測量(liàng)儀表，近年來發展(zhǎn)迅速,在能源、化工(gong)、冶金等衆多過程(chéng)工程領域得到了(le)廣泛應用。渦街流(liu)量計的輸出信号(hào)是與流體平均流(liu)速成正比的脈沖(chong)頻率,不受流體物(wu)性和組分變化的(de)影🈚響。因此,從💃🏻理論(lùn)上講,渦街流量計(ji)除了用于液體、氣(qi)🏃‍♀️體和蒸汽流量測(ce)量以外🌂，甚至還可(kě)以用于部分混相(xiang)流的測量。然而,目(mù)前關于混相流對(duì)渦街流量計的影(yǐng)響,還缺少理論和(hé)實踐經👉驗,雖然開(kai)展了一些渦街流(liú)量計測量混相流(liú)方面的試驗,但還(hai)處于探索階段.
　　不(bu)确定度是表征合(he)理地賦予被測量(liang)值的分散性,與測(cè)量結果相聯系的(de)參數。不确定度是(shi)說明測量水平的(de)主要指标，是表示(shi)測量質量的重要(yao)依據。不确定度對(dui)科學、工程及商貿(mao)中大量存在的測(cè)量結果的處理與(yǔ)表示都具有普遍(bian)的指導意義。但是(shì),目前對于渦街流(liu)量計不确定度還(hai)比較少。
　　在對渦街(jiē)流量計測量單相(xiang)流不确定度的基(jī)礎上,對測㊙️量🈲模型(xing)和算法進行了改(gai)進,将其應.用于氣(qì)液混相✍️流不🧑🏽‍🤝‍🧑🏻确定(ding)度的評定,分析了(le)氣液混相流流量(liàng)及其體積含氣率(lǜ)對渦街流量📱計不(bu)确定度的影響,讨(tǎo)論了各不确定度(dù)📧分量的影響因素(su),由氣液混相流引(yin)起的渦街流量計(ji)附加不确定度。
2測(ce)量原理與實驗
2.1渦(wō)街流量計測量原(yuan)理
　　在流體中垂直(zhi)于流向插入一根(gēn)非流線型柱狀物(wù)體🌈(即🌈旋渦發生體(ti)),當滿足一定條件(jian)時,旋渦發生體的(de)兩側将出現兩排(pai)🔴旋轉✌️方向相反、交(jiāo)替産生的非對稱(cheng)的旋渦列(即卡門(men)渦街,簡稱渦街),它(ta)的頻率與流體平(píng)均⛷️流速成正比，因(yīn)此,通過檢測渦🧑🏽‍🤝‍🧑🏻街(jie)的頻率✌️,根據有關(guan)的關系式可以獲(huò)得流體的💃🏻流量。
 
　　式(shi)中:ƒ一渦街頻率;u一(yī)流體平均速度;d一(yi)旋渦發生體迎面(miàn)寬度;D一管道内徑(jìng);
　　U1一旋渦發生體兩(liang)側的平均流速;St一(yi)斯特勞哈爾數;m一(yi)旋渦發😄生體兩側(cè)弓形面積與管道(dào)橫截面面積之比(bǐ)。
管道内流體的體(tǐ)積流量qv爲:
 
式中:K一(yī)渦街流量計的儀(yi)表系數。
　　式(3)爲渦街(jie)流量計測量的基(jī)本關系式,其中儀(yi)表系數K除了與旋(xuán)渦發生體、管道的(de)幾何尺寸有關外(wài),還與斯特勞哈爾(er)數有關。斯特勞哈(hā)爾數爲無量綱參(cān)數,它與旋渦發🈲生(shēng)體形狀及雷諾數(shù)有🧑🏽‍🤝‍🧑🏻關,在雷諾數爲(wei)5x103~7x106範圍内,St可視爲常(cháng)💘數。渦街流量計輸(shū)出的脈沖頻率信(xin)号不受流體物性(xìng)和組分變化的影(ying)響,可适用☁️于液體(tǐ)、氣體、蒸😘汽和部分(fen)混相流的測量。
2.2實(shí)驗裝置和過程
　　實(shí)驗系統如圖1所示(shi),采用空氣和水作(zuò)爲實驗介，質來産(chan)生混相❄️流。空氣和(hé)水先分别經标準(zhǔn)流量計測量流量(liàng),然後進人混相器(qi)充分混合後,再流(liú)經實驗渦街流量(liàng)計。實驗渦街流量(liàng)計的内徑爲50mm,旋渦(wō)發生體爲準梯形(xíng),迎流面寬度爲14mm,不(bú)确定度爲❤️1.0%。渦街頻(pin)率信号通過管壁(bì)差壓法獲取,采樣(yang)頻率爲2500Hz,采樣時間(jiān)4s,每個采集的時間(jiān)序列包含10000個數據(ju)點，因此頻✏️率分辨(bian)率爲0.31Hz。
 
　　空氣标準流(liú)量計采用不确定(dìng)度爲1.0%的渦街流量(liang)計,水标準流量🎯計(jì)采用不确定度爲(wèi)0.5%的電磁流量計。标(biao)準流量計和實驗(yàn)渦街流💰量計所在(zai)處的溫度和壓力(li)也同時測量,用以(yǐ)補償因管道和混(hùn)相器的壓損❄️引起(qǐ)的空氣和水體積(jī)的變化。經計算,實(shí)驗渦街流量計處(chù)空氣流量qva爲0~2.0m³·h-1,水流(liu)量爲qvw10.0~18.5m³·h-1,混相流的體(ti)積含氣率:
 
　　實驗中(zhong)β值爲2.0%~15.0%。對每種固定(ding)組分(即體積含氣(qi)率)的氣液混相流(liu),實驗在重複性條(tiao)件下進行了六次(cì),在複現性條件下(xia)也進行了六次。
3測(cè)量模型與不确定(ding)度傳播律
　　對于渦(wo)街流量計,其儀表(biao)系數K必須通過實(shí)流Qv8标定确定,對于(yu)混相流的測量,有(yǒu):
9v8=qvs8+qvsw(6)
　　式中:qvs8一空氣标準(zhǔn)流量計的示數;qvsw一(yi)水标準流量計的(de)示數。
　　因此,渦街流(liu)量計測量氣液混(hun)相流時的測量模(mó)型可以寫成:
qv=F(ƒ,qvs8,qvsw)(7)
　　根據(jù)ISO-GUM和JJF1059-1999的規定,渦街流(liu)量計測量氣液混(hun)相流合成标🛀🏻準不(bu)确😄定度的傳播律(lǜ)爲:
 
　　式中:U1(ƒ),U2(ƒ),U3(ƒ)一-在渦街(jiē)頻率測量中由重(zhong)複性、複現性、頻率(lü)分辨率引💃🏻起的相(xiang)對标準不确定度(dù)。
　　最後，可以得到渦(wō)街流量計測量氣(qì)液混相流時,置🤟信(xìn)概♊率爲🏃95%的相對擴(kuò)展不确定度爲:
U(qv)=2Uc(qv)(14)
4實(shi)驗結果與讨論
4.1數(shu)據處理
4實驗結果(guǒ)與讨論
4.1數據處理(li)
　　首先,采用十階Butterworth帶(dài)通濾波器對管壁(bì)差壓法檢測的信(xìn)🌐号進行處理,以消(xiāo)除管道振動和流(liú)體湍動等幹擾的(de)影響。由于在實☀️驗(yàn)流量範圍内渦街(jiē)頻率爲10~60Hz,因此Butterworth濾波(bo)器的頻率帶通範(fàn)圍設🛀🏻置爲3~300Hz。得到的(de)渦街流量計輸出(chu)信号如圖2所示。
　　然(ran)後,對Butterworth濾波器的輸(shu)出信号進行功率(lǜ)譜分析以獲得渦(wō)街🌂頻率📱。信号的功(gōng)率譜密度反映了(le)信号的功率随㊙️頻(pín)率的分布。時💋域的(de)渦街信号在渦街(jiē)頻率處出現能👄量(liang)集中,所以通過譜(pǔ)分析方法,将時域(yu)的信💔号轉化到頻(pín)域，能方便地提取(qu)出渦街頻率值。把(bǎ)Butterworth濾🏃‍♂️波器的輸出信(xìn)号x(n)的N點觀察數據(jù)xN(n)視爲一能量有限(xiàn)👅信号,直接取xN(n)的❓傅(fù)裏葉變換計算xN(ejɷ),再(zài)将ɷ在單位圓上等(děng)間隔取值計算XN(k),由(yóu)離散💞傅裏葉變💁換(huan)可得:
 
　　将計算得到(dao)的渦街頻率和記(ji)錄的标準流量計(jì)示數代人式(4),可得(dé)實驗範圍内渦街(jiē)流量計儀表系數(shù)的分布情況，如圖(tú)3所示。可以看到,在(zai)實驗範圍内,氣液(ye)混相🚶流對渦🍉街流(liú)量計儀表系數造(zào)成的附加誤差在(zài)±3.0%以内。
 
4.2不确定度估(gū)計
　　對于某一固定(dìng)組分的氣液混相(xiang)流,其各不确定度(dù)分量的計算式爲(wei):
 
　　式中:m,n-在重複性和(hé)複現性條件下的(de)實驗次數,m=1,2,..,6,n=1,2,.,6。
　　由于U(qvs8)=1.0%,U(qvsw)=0.5%,因(yin)此将以上計算結(jie)果代人式(12)~式(14),得到(dào)不同混相組分(體(tǐ)🌈積含氣率)下渦街(jiē)流量計的相對擴(kuò)展不确定度與流(liu)量的關系，如圖4所(suǒ)示。從圖中可以看(kan)到,在混相流流量(liàng)爲10.0~20.0m3/h的實驗範圍内(nèi),渦街流量計的相(xiàng)對擴展不🔴确定度(dù)比較均勻地分布(bù)于2.5%~3.5%之間，流量值的(de)大小對相對擴展(zhǎn)不确定度的影響(xiǎng)不顯著。
 
　　由于在實(shi)驗過程中采用的(de)空氣和水标準流(liu)量計一定⁉️,所‼️以由(yóu)✏️它們引人的不确(que)定度也固定不變(bian),分别爲1.0%和0.5%。對于渦(wō)街頻率的三個不(bú)确定度分量U1(ƒ),U2(ƒ),U3(ƒ),随流(liu)量的變化趨勢并(bìng)不相同。在不同流(liú)量下，U1(ƒ)和U2(ƒ)的變化呈(cheng)現出較強的随機(ji)性,這反映了測量(liàng)過程中的随🔴機效(xiao)應。另一🐆方面,U3(ƒ)則随(sui)着流量的增加🧑🏾‍🤝‍🧑🏼而(er)變小，主要是由于(yú)實驗過程中信号(hào)的頻率分辨率保(bao)持爲0.31Hz(由🏃‍♀️采用頻率(lü)🔞和采樣點數決定(dìng)),而在流量較大時(shi)渦街頻率也較大(da),根據式(19)可知U3(ƒ)将随(sui)着流量的增加而(er)減小。
4.3混相流組分(fèn)對不确定度的影(ying)響
　　圖5給出了不同(tóng)混相流組分(即體(tǐ)積含氣率)時渦街(jie)💜流量計👨‍❤️‍👨的相對擴(kuo)展不确定度。與圖(tú)4中混相流流量對(duì)相🏃‍♂️對擴展不确定(dìng)度的影響相似,在(zài)體積含氣率爲2.0%~15.0%的(de)實驗範圍内,渦街(jiē)流量計⛷️的相對擴(kuò)展不确定度比較(jiao)均勻地分布于2.5%~3.5%之(zhī)間,體積含氣率與(yu)相對擴展不确定(dìng)度之間沒有明顯(xiǎn)的依賴關系。
 
　　結合(he)圖4和圖5可見,在保(bao)持渦街流量計一(yi)定測量精度的前(qian)提下,混相流流量(liang)及其體積含氣率(lǜ)對渦街流量💁計相(xiàng)對不确定度沒有(you)明顯的傾向性影(ying)響,即渦街流量計(jì)相對不确定度随(suí)混相流流量及其(qí)體積含氣率的分(fèn)布比較均勻。同☔時(shi)在本中🐕，由于實驗(yan)⭐渦街流量計的基(ji)本不确定度爲1.0%,而(er)測量氣液混相流(liú)時的總不确定度(du)小于3.0%,因此,由氣液(yè)混相流引起的渦(wo)街流量計附加相(xiang)對不确定度小于(yú)2.0%。
5結論
　　用渦街流量(liàng)計測量體積含氣(qi)率爲2.0%~15.0%的氣液混相(xiang)流📐的不👣确定度,提(tí)出了渦街流量計(ji)測量氣液混相流(liú)的不🚩确定度計🌂算(suàn)式。實驗以空氣和(he)水爲介質産生氣(qi)液混🆚相流,渦🧡街信(xin)号通過管壁差壓(yā)法采集,渦街頻率(lǜ)通過功率譜分🌈析(xī)獲得。結😍果表明:
(1)在(zài)保持渦街流量計(ji)--定測量精度的前(qian)提下,混相流流量(liàng)及其體積含氣率(lü)對渦街流量計相(xiàng)對擴展不💋确定度(du)沒有明顯的傾向(xiang)性影響,即渦街流(liú)量計相對擴展不(bu)确定度随混相流(liu)流量及其體積含(han)氣率的分布比較(jiào)均勻。
(2)在渦街頻率(lǜ)測量中由重複性(xing)、複現性、頻率分辨(biàn)率引🍉起的相對🏃🏻‍♂️标(biao)準不确定度随流(liu)量的變化趨勢不(bú)✂️相同,其中由重複(fú)性和複現性引起(qi)的相對标準不确(què)定度💛随流量的變(biàn)化呈現出較強的(de)随機性,而由頻率(lǜ)分辨🐆率引起的🛀相(xiang)對标準不确定度(du)則随着流量的增(zēng)加而逐漸變小。
(3)在(zài)混相流流量與體(ti)積含氣率範圍.内(nei),由氣液混相流☔引(yin)起🚩的渦街流量計(ji)附加相對不确定(dìng)度小于2.0%。

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