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关于涡街流量计在含气液体介质测量中的试验研

文章作者:红旗仪表(江苏)发布时间:2020-11-10

流场涡流的出现是能源损失大、阻力增大的重要原因。因此,流体运输应尽量避免或减少涡流产生的可能性。但是,随着人们对涡流产生和运动规律认识的加深,在工程实践中有意识地运用,近年来人们研究涡流,应用于流量测量,成功设计和制造涡流流量计,当涡流体通过阻挡体时,在阻挡体两侧交替涡流20世纪60年代,日本首次利用卡门涡流街现象开发涡流街流量计,从那时起涡流街流量计以其诸多优点广泛应用于工业领域。
由于旋涡流量计在单相流体介质条件下的研究比较成熟,研究人员通过实验方法获得了大量有价值的实验结果,并将其应用于旋涡流量计的研发中,使旋涡流量计的测量精度、可靠性大大提高[2,3]。在工业测量中,液体管道中有时混入少量气体,被测流质成为气液两相流。鉴于气液两相流的复杂性,目前对这种情况下涡流流量计测量特性的研究并不多。西安交通大学李永光[4-6]在气液两相流垂直管道上,研究了不同形状的涡流街发生体,对不同截面含气率下涡流街的结构和斯特劳哈尔数的变化进行了大量实验研究,并提出了随着截面含气率的变化而变化的斯特劳哈尔数的计算公式。本文主要从流体力学的角度研究气液两相流涡流街道现象的机理,给出了截面含气率的测量方法,为李永光的实验研究提供了理论依据。从测试的角度来看,研究了液态条件下水平管中含有少量气体液体涡流街流量计测试结果的变化情况,对测定结果进行了分析和脉冲计数,比较发现液态条件下的分析明显优于脉冲计数。
测试装置和测试方法1.1测试介质由水和空气组成,水和空气是测量流量,测量流量分别送到混合管和成气液两相流的测试管段。图1显示实验装置。测试设备包括压缩机、储气罐、储水罐、分离罐、流量计、压力变送器、温度变送器、工作控制机和各种阀门。空压机将空气压缩后送入储气罐,标准流量计1在储气罐送入管道前进行气液混合。储液罐距地面30米,可提供测试所需液相,其流量用标准流量计2测量。液、气经混合器混合后进入试管段,流入分离罐内,将水与空气分离,空气由排气阀排出,水由泵送回储水罐循环使用。工业计算机收集、显示所有仪表数据,控制两个电动调节阀,调节气体、液体两相流量。测试用涡流流量计选用直径D=50mm的多管压电式旋涡流量传感器。旋涡街传感器安装在水平直管段上,其上下游各30D和20D长的直管段。旋涡流量传感器上游1D、下游10D安装压力变送器和温度变送器,旋涡流量计上游30D安装混合器。
涡流街流量计安装图。
图1气液两相流动试验装置,1.2试验方法,通过流量计2上的电动调节阀,将水流量调节为6、8、10、12m3/h4个流量值。流量计1采用电动阀1控制,注入空气范围为0.3~1.8m3/h,压力范围为0.4~0.5MPa。目前工业上使用的涡流路流量计大多采用脉冲输出方式,将涡流信号转换为脉冲信号,计算涡流脱落频率。涡流街流量计输出脉冲的主要缺点是容易受到噪音的干扰,在小流量信号弱的情况下很难区分噪音。近年来,随着数字信号处理技术的发展,以DSP为中心,出现了兼具谱分析功能的涡流流量计,可以提高弱涡流频率信号的识别能力[7-8]。针对这两种不一样类型的涡流街道流量计在工业厂房的应用,采用谱分析法和脉冲计数法分别计算涡流街道的频率,进行对比。图2显示旋涡流量计的转换电路流程。A点采用5000Hz频率采集模拟信号,每组数据采集10个采样点,每组数据采集5×104个采样点,对采集的采样点进行傅里叶转换,得到不同被测点涡街产生的频率,同时采用脉冲计数法采集b点。
涡流街的流量计。
涡流街流量计的校准。
将涡流街流量计安裝在标准水表上,分别根据频谱分析和脉冲计数的方法对其开展标定,以水不加气为流体介质,应用的标准传感器为电磁流量计,其精密度等级为0.2。每个流量测量点的仪表系数由公式(1)计算,最终仪表系数k由公式(2)计算。水的流量值为Ql,用F表示每个流量点的频率,用K表示每个测量点的仪表系数。在测试流量范围内,kmax和kmin分别计算了仪表系数的大小。用公式3计算仪表系数的线性度E1。
涡流街流量计公式。
用频谱法和脉冲计数法计算涡流街流量计的设备系数分别为Ks=10107p/m3、Kc=10143p/m3,计算的设备系数线性为1.2%、1.5%。图3是测试仪系数与水流量值的关系曲线,可以看出,在测试仪选择的流量范围内,测试仪系数近似于一个常数,频谱分析结果与脉冲计数结果差别不大,两者误差范围为0.109%~0.688%。测量介质均为水时,两种测量方法无明显差异。
涡流街流量计的原理。
三涡流街的信号分析。
实验结果表明,气相的加入对涡流街道流量计的测量有明显的影响,随着气相注入量的增加,频谱分析和脉冲计的效果也不同。在注入不同气体含量β时,A点的模拟信号,如图4(a~c)所示,在12m3/h的水流中,模拟信号为12m3/h;在谱分析中,频率值为图4(d~f),在图4(g~i)中,脉冲计数法获得的脉冲信号。涡流流量计中,注入气量小时,对涡流流量计的影响小,在谱分析和脉冲计中取得了良好的结果。随着注入空气量的进一步增加,涡流街道原始信号的强度和稳定性逐渐恶化,涡流街道的频率信号被干扰信号淹没,反映在频谱分析图上,涡流街道的频率谱能量下降,干扰信号谱能量增强的脉冲信号,由于某些涡流信号的衰减,脉冲丢失现象
涡流街的分析报告书。
表1反映在不同流点Ql下,涡流街道发生频率的fs和fc随注气量Qg的增加而变化。研究表明,针对不一样的水流量,当注入气体流量增加到一定范围时,涡流街道信号不可以检测;在一定的水流量下,随着注入气体浓度的增加,谱分析得到的频率值会变大,这是由于体积流量的增加而造成的;而规律产生的脉冲丢失现象,使谱值降低。因此,在气液两相流中,频谱分析法优于脉冲计数法,在含气量高的条件下还能检测涡流脱落频率。
分析报告。
公式计算。
四涡道流量计误差分析。
通过处理实验数据,得到涡流街流量计根据气相含气量变化的测定误差,请参照图5。对频谱分析方法的测量误差用△表示,对脉冲计数方法的测量误差用△表示。涡道流量计测量误差的计算公式为4。在这些参数中,Qs是装置中标准表测定的管道总流量,Qt是试管段涡流通量计测定的值。用频谱分析法计算Qt值,用脉冲计算法计算频率值,用仪表系数法计算Qt值。从图表可以看出,两种测量方法所得出气相含气量的误差不同。含气率不高时,0<β<6%,谱分析法平均误差差为1.226%,大差为2.687%,脉冲计数法平均误差为1.583%,大差为2.898%,因此谱分析法与脉冲计数法测量误差不大,谱分析法没有明显优势;当含气量进一步提高时,6%<β<14%,谱分析法平均误差为3.975%,大差为14.058%,脉冲计数法平均误差为20.053%,大差为20.053%。

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