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气体对于超声波流量计影响及其修正的实验研究

发布时间:2019-05-25 11:51:41 浏览:

超声波流量计[1,2,3,4]是随着集成电路技术迅速发展并应用的一种非接触试的实时在线测量流量的仪表[5];但其往往要求管道内是充满液体工况, 如在火力发电厂中锅炉汽水循环系统中流动的水、化工行业中通道内流体流动等。但是在实际工业生产中, 通常会由于种种原因, 造成气体产生在单相流中而形成气液两相流。

因此超声波流量计在两相条件下的适用研究具有一定的理论和经济意义。国内外许多学者开展了相应的研究。如Xing等[6]针对气液两相流提出一种基于超声波与科氏流量计相结合来建立耦合模型, 通过实验验证了其可行性;贾云飞等[7]研究了气液两相流中不同含气率对涡街流量计测量误差, 从而为气液流态下测量流量提供依据;此外还有许多通过传感器组合应用成功的例子, 比如Zheng等[8]使用涡轮流量计和电传导传感器组合使用方法, 对油田中气液两相流流量进行测量并取得良好的测量结果;Meng等[9]提出使用文丘里流量计结合电阻层析成像 (ERT) 传感器, 对两相流流量进行测量, 最后计算出两相流的质量流量。这些方法为超声波测量含气流量提供了重要的参考价值。本文在针对含气时液体流量的测量问题, 使用多传感器组合, 采取能量修正方法, 直接作用于液体的流量, 具有直观性和简洁性。

本文提出的使用辅助传感器方法对液体中含气时该工况下流量的测量, 首先, 在不同安装方式下, 使用FDT—21超声波流量计, 对管道中充满液体[10]时的流量进行标定, 找出合理测量方式;然后将含气量采集装置, 使用标定后的最佳安装方式, 对气液混合状态进行信号采集。该装置采用38 k Hz频率的超声波, 主要是该频率下, 超声波的能量不会对本次实验时液体中的气体造成过多破坏, 又与含气量采集装置的发射仪频率匹配;最后将采集器收集到的信号数据进行修正, 从而可以得出含气时液体的流量。

1 多传感器测量系统

1.1 实验装置

实验装置主要由FDT—21超声波手持流量计和含气量采集装置共同组成, 该含气量采集装置主要由Handyscope HS3波形采集示波器与38 kHz频率的超声波探头组成, 实验介质为自来水和压缩空气, 如图1所示。

图1 含气液体超声波流量计

图1 含气液体超声波流量计   下载原图

Fig.1 Gas-containing liquid ultrasonic flowmeter

1.2 测量原理

1.2.1 超声波流量计原理

实验所用的流量计, 在使用说明书中要求最好选择充满液体的管段, 在安装与测量过程中不得出现非满流情况。采用V法安装过程时, 换能器1发射出去的超声波, 在流动的流体中传播时, 速度会发生改变, 同时经过流体后的超声波也就携带上了流体的流速信息, 并由换能器2接收并进行处理, 转化成电信号从而显示出流量等信息, 如图2所示。

图2 超声波流量计示意图

图2 超声波流量计示意图   下载原图

Fig.2 Ultrasonic flowmeter schematic

根据上述原理可得出V法安装时的推导公式, 为避免V法安装时推导公式的烦琐, 只取A~B这段流体作为研究对象。

为此可以求出A~B段的时间差距:

 

式 (1) 中:v为超声波在非流动介质 (水) 中的声速;u为流体介质 (水) 的流动速度;θ为由A到B时流体流动方向与超声波传播方向的夹角;L为超声波从A到B的行走路径;d为压电换能器在管线方向上的间距。

从而可推导出A~B段流体流量为

 

式 (2) 中:S是管道的截面积;Δt为超声波探头接收时间的差距。

从式 (2) 中可以看出, 对于确定的d、v及θ, 时间差距仅与流体速度有关, 与被测流体的压力、温度、黏度和组成变化无关, 因此该流量计测得流速的精度较高, 保证了流量测量时的准确性。

1.2.2 含气量采集装置

图1含气量采集装置中所用的Handyscope HS3是一个100 MHz/s USB示波器[11], 它可以用作频谱分析仪、数据记录器或协议分析仪, 还可以根据所需信号产生任意波形, 并且该装置对不同气量下的信号具有十分敏感的特性。在该采集装置中, 38 k Hz频率的超声波探头呈斜对立方式安装在管道下游, 当管道内含有气体时, 超声波探头1发射出的正弦波经过气液混合体, 由探头2接收信号, 然后将该工况下变化的波形信号上传至示波器。

1.3 实验方法

实验主要由全水时流量的标定实验和气液混合时含气量的测量实验组成。实验中探头安装在管道正上方 (简称为V法上) 、正下方 (简称为V法下) 、中央位置 (简称为V法中) 如图3所示, 实验方法如表1所示。

图3 单相液体探头安装方法

图3 单相液体探头安装方法   下载原图

Fig.3 Single-phase liquid probe installation method

表1 实验方法     下载原表

表1 实验方法

1.3.1 全水流量标定实验

首先气泵不工作, 关闭阀门1、2, 潜水泵工作使水流动进入主测量管道, 待管道内充满单相水后, 再打开阀门2, 让单相水经过超声波流量计进行流量测量和标定, 最后流入量筒返回到潜水泵。

实验过程中待整个被测管道充满水, 且储水罐中水位趋于平稳后的1~2 min, 开始利用超声波流量计自动记录10 s内参数数据, 同时对量筒水位进行观察, 读取实验数据并记录。为保证实验数据的准确性, 每种不同的测量方法, 都在相同条件下进行3组数据采集。

1.3.2 气液混合含气量测量实验

实验进行气液混合时, 由小型气泵产生气体, 流经气体流量计, 通过阀门1控制气量大小, 然后与由潜水泵出来的水混合进入主管道, 流经超声波流量计和含气量采集装置分别进行流量和信号的测量, 最后在量筒中汇集流到水泵。由于水平管道中气体在上部, 因此采用了如图3所示的V法中和下两种安装方式, 然后通入不同气量, 对同种工况下采集10次实验数据, 每次时间均为10 s做出实验记录, 数据记录如表2所示。

表2 实验数据     下载原表

表2 实验数据

注:表中测量值和标定值都为10次实验后所求的平均值。

1.3.3 流量标定法

实验流量标定采用单位时间测量体积得到, 应用公式:

 

式中:ΔV为体积;S为水箱面积;ΔH为量筒水位落差;ΔT为计时时间。

实验中选用的量筒水箱长为28.9 cm、宽18.9 cm, 且每次实验时保持量筒初始水位高度为1.5 cm。选用不同工况进行实验时, 将10 s后的量筒水位变化, 与初始水位作差, 在应用公式计算出实际标定流量。

1.3.4 流量偏差百分比计算法

实验中计算流量偏差比主要为了将实验中的流量标定更接近实际情况, 规定Q为偏差百分比值, C为测量流量, D为标定流量, 可推导公式如下:

 

1.4 信号处理方法

小波分析能将所采集到的信号其频带进行多层次划分, 对整个频段平均分解为等宽带的成分, 并根据所提取信号的特征, 自适应地选择相应频带, 使之与信号频谱相匹配。试验选取小波基为db6, 对采集到的信号进行5层小波包分解处理, 分析得到的32个频段的能量分布情况。

在实验中, 忽略衍射后气体对超声波产生全反射现象, 规定α为全水时, 使用V法上测量方式所测得的能量均值;β为气液混合时, 使用V法中测量方式所测得的能量均值;含能率记为λ。由此推出该条件下的含能率公式为

 

实验应用含能率的大小来表征含气量的不同。

2 实验数据处理及分析

2.1 单相水多种安装方法标定流量的数据分析

当管道内为全水状态时, 不同安装方法下平均测量流量与实际流量之间的偏差百分比如图4所示。

图4 全水时探头不同安装位置流量对比

图4 全水时探头不同安装位置流量对比   下载原图

Fig.4 Flow comparison of different mounting positions of probes in full water

从图4中可以看出, 使用V法上测量方式时, 偏差百分比有多次为0, 说明在此测量方式下, 测量流量已经接近于实际流量;采用V法中测量方式时, 大多数的偏差百分比值处于10%以下, 仍可以较为准确的反映真实流量;V法下时偏差百分比值主要分布在10%~20%之间, W法上时其偏差百分比值分布在15%~20%之间, 可以看出采用这两种测量方式时, 实际流量与测量流量二者之间偏差较大, 将导致测量结果出现过大误差。因此可得出, 在相同环境下, 四种不同探头安装方式中, V法上的测量偏差最小, 其次是V法中和V法下。

2.2 气体对流量测量的影响

当管道内为气液混合状态时, 使用V法中和V法下两种安装方式时, 得到的平均实际流量和测量流量二者之间的偏差百分比值如图5所示。

如图5所示, V法中安装方式在三种不同气量下的偏差百分比集中于20%~30%之间, 可以得出在该测量方式下进行测量流量时的稳定性比较好, 不会出现过大偏差;而V法下时偏差百分比集中于80%~160%之间, 出现测量值远大于实际值的情况, 使测量偏差较大。因此由图5可得出在通入气体后, V法中的测量方式是相对合理的。

图5 不同位置测量下的流量比值关系

图5 不同位置测量下的流量比值关系   下载原图

Fig.5 Flow ratio relationship under different position measurements

“V下1.5”表示该次测量采用V法下方式, 通入气量为1.5 L/min

分析其原因如下:首先是由超声波流量计的工作性能决定得, 实验所用的流量计在全水状态下具有较好的接收信号能力, V法中时避免了水平管内气泡的影响, 而V法下时, 超声波流量计在工作时会受到气泡折射的影响, 由单相水经过气泡后再折射到接收器上, 使携带的流体信号产生了变化, 对超声波传播造成影响, 进而影响超声波流量计的精度;其次则是流速问题, 管道中通入的气泡是由气泵不断做功形成的, 随着气泡量的不断加入, 使其本身具有了一定的动能, 从而当水的流速不断增加而水的体积不断减小时, 测量流量与实际流量也会基本吻合的, 通过式 (2) 计算后也可以得出二者大约一致。因此在试验中通入气体后V法中测量方式是合理的。

2.3 38 k Hz超声波数据分析

2.3.1 气体对信号的影响

在V法上和V法中的安装方法下, 使用含气量采集装置, 分别对全水工况和气液混合工况进行信号采集, 对所得到的信号进行分析, 如图6所示。

图6 (b) 、图6 (d) 、图6 (f) 、图6 (h) 中E表示能量, 可以看出实验进行时, 超声波信号的能量主要分布在节点1~2段, 该段信号频率所占总能量百分比约为80%, 说明信号的能量分布相似;在两种工况下进行实验时, 都保证了起始水位的统一, 即保证流速初始值是定值, 由此说明, 使用含气量采集装置与超声波流量计时二者的工作条件一致。

如图6 (a) 、图6 (c) 、图6 (e) 、图6 (g) 所示, 可以发现, 在不同气量下使用V法中测量方式时, 气体流经超声波探头测量区域后, 所测信号的振幅、峰值间距都在发生改变, 随着气量的不断变大, 振幅会逐渐变小, 峰值间的距离也在逐渐变小, 信号的变化体现在测量管道中管内气体大小的变化, 也符合观察到的实验现象。

2.3.2 超声波流量计的流量修正

运用V法中和V法上测量方式所求得的能量均值求出含能率, 再结合不同气量下, 实际流量与测量流量二者之间的偏差值[12,13], 可作出图7。

图6 信号的振幅及能量分析

图6 信号的振幅及能量分析   下载原图

Fig.6 Signal amplitude and energy analysis

图7 含能率与流量偏差线性拟合修正

图7 含能率与流量偏差线性拟合修正   下载原图

Fig.7 Linear fitting correction of energy content and flow deviation

通过MATLAB拟合分析, 得出修正公式:

 

为了验证修正公式的准确性, 再次采用V法中测量方式, 选用5种不同气量进行流量测量, 根据测量结果, 求出含能率, 由式 (7) 计算出不同气量下的流量偏差结果统计如表3所示。

表3 计算结果统计     下载原表

表3 计算结果统计

通过实验验证后, 应用修正公式计算得到的流量偏差值与使用V法中测量方式时的实际偏差值二者的偏差范围约在2%以内, 是可以满足使用V法中对通入气量后流量测量要求的。

3 结论

(1) 当水平管道充满液体时, 使用超声波流量计进行流量标定后, 全水状态时合理的安装方式为V法上, 其次是V法中。

(2) 在水平管道中, 气体对超声波流量计的影响十分显著, 并且流量计的安装方式对测量结果也十分重要, 在本文中V法中最佳。

(3) 采用超声波组合测量的方法, 利用超声波含气量采集装置采集不同含气量下信号, 计算出含能率, 可以对超声波流量计进行有效的修正。