CN111649789B - 一种融合涡街频率和对流特性的湿气流量测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种融合涡街频率和对流特性的湿气流量测量方法，所采用的测量装置包括设置在测量管道的旋涡发生体和双压电探头，双压电探头固定在旋涡发生体的下游，包括对侧安装的前方压电探头和后方压电探头，双压电探头通过压电敏感元件进行信号采集、通过信号调理电路进行信号处理与放大，输出涡街信号，基于FFT变换得到涡街频率，利用相关测速方法进行雾状流涡街流量测量。
Description
技术领域
本发明属于气液两相流测量领域，涉及一种融合涡街频率和对流特性的湿气流量测量方法。
背景技术
卡门涡街是流体力学中重要的现象，当流体流过钝体时在钝体两侧交替发生旋涡脱落，并在尾流中形成涡街，通过测量涡街脱落频率即可实现流量的测量。涡街广泛存在于化工、航天、石油等工业领域中，实现涡街流场流量的准确测量，对于工业生产的过程控制和生产安全有着重要意义。
近年来，涡街流量计在单相流量测量中得到了广泛应用，涡街流量计在单相测量中的稳定性和准确度也得到了各个行业的认可；但是在两相流量测量中，传统的单相涡街流量计难以实现准确测量，特别是在湿气条件下，传统涡街流量计测得的结果将会出现虚高，并且随着液相含率的增大，虚高也会增大，最终测量误差将远远超过单相涡街流量计的标定精度。湿气是一种以气相为连续相、液相为离散相的两相流型，在流速较高时表现为雾状流，其气流核心为气流和液滴的混合物。一方面，雾状流中的涡街流量计的虚高现象给流量测量带来了很大的误差，限制了涡街流量计在两相测量中的应用；另一方面，传统涡街流量计采用单一探头进行测量，获得的信号非常单一，处理方法也比较简单，难以应用其他方法进行计算和处理，也限制了其精度的提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种融合涡街频率和对流特性的湿气流量测量方法，该方法利用双压电探头测量数据，基于FFT变换和相关测速方法进行雾状流涡街气相流量测量，具有较高的测量精度。技术方案如下：
一种融合涡街频率和对流特性的湿气流量测量方法，所采用的测量装置包括设置在测量管道的旋涡发生体和双压电探头，双压电探头固定在旋涡发生体的下游，包括对侧安装的前方压电探头和后方压电探头，双压电探头通过压电敏感元件进行信号采集、通过信号调理电路进行信号处理与放大，输出涡街信号，基于FFT变换得到涡街频率，利用相关测速方法进行雾状流涡街流量测量。包括如下步骤：
第一步：设定适用于雾状流涡街测量的数据采样参数fs，采样频率fs需满足
式中vcmax为最大对流速度，δ为最大相对误差，l为双压电探头之间的距离；
第二步：对前方压电探头输出的涡街信号进行FFT变换，得到雾状流流场涡街频率f；根据雾状流涡街频率f计算得到表观气相流速va；
式中m为旋涡发生体两侧流通面积与管道横截面积之比，d为发生体迎流面宽度，Sr0为单相斯特劳哈尔数。
第三步：采用双压电探头信号进行相关测速计算，得到渡越时间τ0：
式中Rxy为离散互相关函数，m为间隔点数，n为当前数据点数，X为前方压电探头输出的涡街信号，Y为后方压电探头输出的涡街信号；τ为间隔时间，相关测速的渡越时间τ0是使离散互相关函数Rxy达到最大的间隔点数m对应的间隔时间；
由此计算雾状流涡街对流速度vc；
第四步：计算雾状流涡街流场的表观对流系数Kac和相对对流系数K0；
雾状流涡街流场的表观对流系数Kac由下式计算：
雾状流涡街流场的相对对流系数K0由下式计算：
式中Kc0为表观对流系数标定曲线的拐点。
第五步：依据K0计算雾状流气相流量Qg。若K0≥1，选择计算表观气相流速va得到雾状流气相流量；若K0＜1，选择计算涡街对流速度vc得到雾状流气相流量：
式中D为管道直径，Kc为雾状流涡街流场的对流系数稳定段均值。
本发明的应用特点与优势在于：
本发明所述方法中的涡街频率，相关测速，对流系数等关键计算参数与湿气涡街流场特性有着紧密的联系，具有较强的理论支撑；而且，本发明中提出涡街频率与对流特性的融合算法，结合算法参数分析实现计量。与现有的单压电探头湿气涡街流量计相比，仅仅添加了一个压电探头，无需其他复杂、昂贵的测量设备，硬件结构简单方便；采用融合算法分析计算相关参数，无需考虑修正公式的使用范围等问题，方法简洁高效，适用范围广泛，准确性好。
附图说明
图1双压电探头测量系统
其中：1-测量管道；2-前方压电探头；3-后方压电探头；4-旋涡发生体
图2算法流程图
图3雾状流条件下FFT计算结果及误差分析
图4雾状流条件下相关测速计算结果及误差分析
图5单相气体与雾状流条件下表观对流系数标定曲线
图6本发明融合计算方法进行雾状流气相计算的结果与分析
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，现结合附图和实施对本发明作进一步说明。
本实例是融合涡街频率和对流特性的湿气流量测量方法在测量中的具体实施。工况条件为：实验测量管段压力P＝300kPa，气相体积流量Qg＝17m3/h，液相体积流量Ql＝0～5ml/s。
第一步，进行信号采集，采用压电探头及信号调理电路板结构。压电探头采集得到涡街信号，然后通过信号处理电路进行放大、滤波，最后采用信号采集卡将涡街时序信号传输到PC端并保存。实例中双压电探头的安装方式如附图1所示。
为保证对流速度vc的计算精度，需准确获取渡越时间τ0，则传感系统应具有足够高的采样频率以及积分时间，其中采样频率fs需满足：
式中vcmax为最大对流速度，δ为最大相对误差，l为双压电探头之间的距离。
第二步，采用前方压电探头进行FFT频率计算，得到涡街频率f。
第三步，涡街流量计是一种速度式流量计，通过测量旋涡脱落频率f即可得到雾状流涡街流场表观气相流速va：
式中m为发生体两侧流通面积与管道横截面积之比，d为发生体迎流面宽度。
第四步，采用双探头信号进行相关测速计算，得到渡越时间τ0：
式中Rxy为离散互相关函数，m为间隔点数，n为当前数据点数，X为前方压电探头输出的涡街信号，Y为后方压电探头输出的涡街信号；τ为间隔时间，相关测速的渡越时间τ0是使离散互相关函数Rxy达到最大的间隔点数m对应的间隔时间。
第五步，利用第四步计算结果计算得到对流速度vc：
第六步，由上述计算参数计算雾状流涡街流场的表观对流系数Kac；
第七步，由上述计算参数计算雾状流涡街流场的对流比值系数K0；
式中Kc0为表观对流系数标定曲线的拐点。
第八步，雾状流气相流量Qg依据K0的计算结果选择下式计算：
式中D为管道直径，Kc为雾状流涡街流场的对流系数标定曲线稳定段均值。
按照上述步骤，对计算结果进行说明如下：
1.如果单独采用上述两种计算方法中的一种进行计算，可以得到两组计算结果，其中，附图3是采用FFT计算得到的计算结果并折算为Sr参数，结果显示，随着液相流量的增大，St的计算结果越来越大，计算误差也越来越大；另一方面，附图4是采用相关测速方法计算得到的对流系数Kc，结果显示，随着液相流量的增大，Kc的结果逐渐减小并趋于稳定。
2.下面对融合算法与判别方法进行详细说明：附图3中计算结果表明，Sr的计算误差随液相流量的增大而增大，但是在液相流量小于等于1.5ml/s时。误差在0～2％之间；在附图4中，液相流量较大时，Kc的计算结果趋于稳定，同时计算得到，在液相流量大于1.5ml/s时，Kc的计算结果稳定在0.78，相对误差在±2％以内。在实际测量中，可以融合两种算法，但是要注意的是，实际的分相流量等参数并不能直接得到，不能通过这些参数进行判别计算，所以需要依据双探头数据计算结果，得到雾状流涡街流场的相对对流系数K0，即雾状流涡街流场的表观对流系数Kac(附图5)与表观对流系数标定曲线的拐点Kc0的比值；K0的计算结果是融合方法重要的判定的依据，其在第八个步骤中参与分段计算。
3.附图2中显示了本发明中方法的计算步骤，在方法选择的判断步骤中，需要采用计算结果中的K0参数进行判别；最后，采用本发明计算方法得到的计算结果在附图6中进行了说明，可以得到，采用本发明中的计算分析方法，能够使雾状流气相流量的测量误差减小到±2％以内，有效提高了测量精度。
本发明通过对涡街流量计在湿气中的频率特性和对流特性进行分析，提出了一种融合涡街频率和对流特性的湿气流量测量方法。本发明无需其他复杂、昂贵的液相测量装置和方法，提供了一种仅通过双压电探头测量系统即可实现雾状流流量准确计量的融合测量方法，简单、经济且预测精度高。
Claims (1)
1.一种融合涡街频率和对流特性的湿气流量测量方法，所采用的测量装置包括设置在测量管道的旋涡发生体和双压电探头，双压电探头固定在旋涡发生体的下游，包括对侧安装的前方压电探头和后方压电探头，双压电探头通过压电敏感元件进行信号采集、通过信号调理电路进行信号处理与放大，输出涡街信号，基于FFT变换得到涡街频率，利用相关测速方法进行雾状流涡街流量测量，包括如下步骤：
第一步：设定适用于雾状流涡街测量的数据采样参数fs，采样频率fs需满足
式中vcmax为最大对流速度，δ为最大相对误差，l为双压电探头之间的距离；
第二步：对前方压电探头输出的涡街信号进行FFT变换，得到雾状流流场涡街频率f；根据雾状流涡街频率f计算得到表观气相流速va；
式中u为旋涡发生体两侧流通面积与管道横截面积之比，d为发生体迎流面宽度，Sr0为单相斯特劳哈尔数；
第三步：采用双压电探头信号进行相关测速计算，得到渡越时间τ0：
式中Rxy为离散互相关函数，m为间隔点数，n为当前数据点数，X为前方压电探头输出的涡街信号，Y为后方压电探头输出的涡街信号；τ为间隔时间，相关测速的渡越时间τ0是使离散互相关函数Rxy达到最大的间隔点数m对应的间隔时间；
由此计算雾状流涡街对流速度vc；
第四步：计算雾状流涡街流场的表观对流系数Kac和相对对流系数K0；
雾状流涡街流场的表观对流系数Kac由下式计算：
雾状流涡街流场的相对对流系数K0由下式计算：
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