涡街流量计在含气液体测量中的试验研究

　

      当流体流过阻挡体时会在阻挡体的两侧交替产生旋涡，这种现象称为卡门涡街。20世纪60年代日本横河公司首先利用卡门涡街现象研制出涡街流量计，此后涡街流量计由于其诸多优点得以在工业领域广泛应用[1]。      

    在单相流体介质条件下对涡街流量计的研究相对比较成熟，研究者通过试验的方法得到了大量有价值的试验结果，并应用到涡街流量计的开发中，使得涡街流量计的测量精度、可靠性得到了很大的提高[2，3]。工业测量中经常会有这样的情况出现：液体管道中有时会混入少量的气体，被测流质变成了气液两相流。由于气液两相流的复杂性，研究这种条件下涡街流量计测量特性的文章不多。西安交通大学的李永光[4-6]曾经在气液两相流的竖直管道上，对不同形状的涡街发生体进行了研究，对不同截面含气率下涡街的结构以及斯特劳哈尔数的变化进行了大量的试验研究，并给出了斯特劳哈尔数随截面含气率而变化的公式。李永光的工作主要是从流体力学的角度对气液两相流中涡街现象的机理进行了研究，其给出的试验结果涉及到截面含气率的测量[4]。本文通过试验从测量的角度，研究了水平管道中含有少量气体的液体条件下涡街流量计测量结果的变化情况，并且测量结果分别用谱分析和脉冲计数两种测量方式得到，通过比较发现在液含气流体条件下谱分析要明显优于脉冲计数的方式。

    1　试验装置与试验方法

    1.1　试验装置

    试验介质由已测定流量的水和空气组成，分别送入管道混和成气液两相流送入试验管段。试验装置如图1所示。试验装置由空气压缩机、储气罐、蓄水罐、分离罐、流量计、压力变送器、温度变送器、工控机和各种阀门组成。

    空气压缩机将空气压缩后送入储气罐，标准流量计1计量气液混合前储气罐送入管道的气体流量。蓄水罐距离地面30m，提供试验所需的液相，其流量由标准流量计2测得。液相和气相经混和器混和后送入试验管段，最后流入分离罐将水和空气进行分离，空气由放气阀排出，水由水泵送回蓄水罐循环使用。工控机对所有仪表数据进行采集和显示并对两个电动调节阀进行控制，调节气相和液相的流量。

    试验所用的涡街流量计选择了一台应用最多的压电式涡街流量传感器，其口径的直径D=50mm。将涡街传感器放置在水平直管段上，其上下游直管段长度分别为30D和20D。压力变送器和温度变送器分别放在涡街流量传感器上游1D和下游10D的位置，混和器安装在涡街流量计上游30D的位置。
图1 气液两相流试验装置

    1.2 试验方法    

    通过流量计2的测量和调节电动阀2，水的流量取6、8、10、12m³/h四个流量值。通过电动阀1控制，流量计1显示空气注入量的范围为0.3～1.8m³/h，其压力范围为0.4～0.5MPa。

    目前工业中应用的涡街流量计大部分是脉冲输出，即将旋涡信号转化为脉冲信号，通过对脉冲信号计数计算出旋涡脱落的频率。脉冲输出的涡街流量计主要的缺点是易受噪声干扰，对于小流量来说由于信号微弱难以与噪声区别。近几年随着数字信号处理技术的发展，出现了以DSP为核心，具有谱分析功能的涡街流量计，这种方法提高了对微弱涡街频率信号的识别[7-8]。考虑到这两种不同类型涡街流量计在工业现场使用，试验中同时用谱分析方法和脉冲计数方法对涡街频率进行计算，并对两种方法进行了比较。

    涡街流量计的转换电路流程图如图2所示。以5000Hz的频率对A点的模拟信号进行采样，每次采样10组数据，每组数据有5×10⁴个采样点，将得到的采样点进行傅里叶变换得到不同测量点涡街产生的频率，同时通过脉冲计数的方法对B点采样。
图2 涡街流量计电路框图

    2 涡街流量计的标定

    将涡街流量计在标准水装置上，分别用频谱分析和脉冲计数的方法进行标定，流体介质为水未加气体，采用的标准传感器为精度等级为0.2级的电磁流量计。在每个流量测量点上的仪表系数用公式（1）计算，然后用式（2）计算得到最终仪表系数K。Q_l为被测水的流量值，f为每一个流量点得到的频率，k为每个测量点得到的仪表系数。k_max、k_min分别为试验流量范围内得到的最大与最小的仪表系数。仪表系数的线性度E₁用式（3）来计算。    

    谱分析和脉冲计数两种不同方法计算出的涡街流量计仪表系数分别为：Ks=10107p/m³；Kc=10143p/m³；计算得到的仪表系数线性度分别为：1.2%和1.5%。图3为仪表系数随水流量值变化的曲线，可以看出，在试验所选流量范围内，仪表系数近似于一个常数，频谱分析的结果与脉冲计数所得到的试验结果差别不大，之间的误差范围为0.109%～0.688%。可见被测介质全部为水时两种测量方法并没有明显的区别。

 

图3　涡街流量计仪表系数

    3　涡街信号分析

    试验发现，气相的加入对涡街流量计测量的影响显著，谱分析和脉冲计数两种方法随着气相注入的增加其表现也不同。图4反映了水流量12m³/h时，注入不同气含率β时A点的模拟信号，如图4（a～c）所示；经谱分析后得到的频率值，如图4（d～f）所示；用脉冲计数方法得到的脉冲信号，如图4（g～i）所示。图4显示，当注入气量不大时，对涡街流量计的影响不大，无论是谱分析结果还是脉冲计数得到的结果都比较好。当注入的气量进一步增加时，涡街原始信号强度和稳定性逐渐变差，涡街频率信号会被干扰信号所淹没，反映到谱分析图是，涡街频率的谱能量减小，干扰信号的谱能量加强；对于脉冲信号，会因为一些旋涡信号减弱，形成脉冲缺失现象，而不能真实地反映涡街产生的频率。

 

    表1反映了不同流量点Q_l下，随着注气量Qg的增加，涡街发生频率fs和fc的变化情况。结果显示，对于不同的水流量，当注入的气体流量增加到一定范围时，不能再检测到涡街信号；在一定水流量下，随着注气量的增加谱分析得到的频率值会变大，这是由于总的体积流量增加了，而脉冲计数法则由于产生脉冲缺失现象所得到的频率值减小。因此在气液两相流下，谱分析比脉冲计数法有优势，它能在较高的含气量依然能检测到旋涡脱落的频率。

 

图4 不同注气量时频率信号图

 

    4　涡街流量计的误差分析

    将试验数据进行处理，得到了涡街流量计测量误差随气相含率变化的情况，如图5所示。其中δs为谱分析方法的测量误差，δc为脉冲计数方法的测量误差。涡街流量计的测量误差用式（4）来计算。其中Qs为装置中标准表测量出的管道总流量，Qt为试验管段中涡街流量计的测量值。将谱分析和脉冲计数得到的频率值和仪表系数分别代入式（5）计算Qt值。从图中可以看出气相含率的增加两种测量方法得到的误差并不相同。当含气率不高时，0<β<6%，谱分析法的平均误差为1.226%，最大误差为2.687%，脉冲计数法的平均误差为1.583%，最大误差为2.898%，因此谱分析法与脉冲计数法的测量误差区别不大，谱分析没有明显的优势；在气相含率进一步增加时，6%<β<14%，谱分析法的平均误差为3.975%，最大误差为14.058%，脉冲计数法的平均误差为20.053%，最大误差为33.130%，脉冲计数的方法得到的测量误差远大于谱分析方法。

    含气液体测量误差产生的主要原因是：在气液两相流动中，由于气泡对旋涡发生体的撞击作用，气泡对边界层和旋涡脱落的影响，以及旋涡吸入气泡使其强度减弱，使旋涡脉冲数缺失，缺失的旋涡数不稳定，使脉冲计数方法测量的误差增大，而谱分析的方法在一段时域内得到主频谱作为涡街频率值，减小了旋涡缺失对测量的影响。所以含气液体流体计量中谱分析方法要好于脉冲计数的方法。

图5　不同气相含率下涡街流量计的测量误差    

    5　结束语

    从试验结果来看，涡街流量计在测量混有少量气体的液体流量时，测量误差会显著增加。之所以会出现这样的情况，一方面，气体在液体中会形成气泡，在旋涡发生体的后部形成气团，并且旋涡中心会出现一个低压区，吸入大量质量较轻的气泡，从而削弱了旋涡的能量，使压电传感器检测不到旋涡，导致检测过程中脉冲缺失现象出现；另一方面，由于旋涡的能量降低，会增加流场本身对旋涡脱落的扰动，进一步增加了测量的误差。其它方面，旋涡发生体后的气团，旋涡中心区气泡的含量、旋涡外的气泡量、气泡的大小等等都会影响测量的结果。

    通过上述的试验结果及分析表明，单相液体中混入少量的气体时会导致涡街旋涡强度变弱和可靠性变差，在这种条件下测量时谱分析的方法在气含率不大时（0<β<6%）与脉冲计数的方法差别不大，但随着气含率的进一步增加（6%<β<14%），谱分析的方法要好于脉冲计数的方法。