當流體流(liú)過阻擋體時會在(zai)阻擋體的兩側交(jiao)替産生旋渦，這種(zhong)現象稱爲卡門渦(wō)街。20世紀60年代日本(běn)橫🔴河公司首先利(lì)用卡門渦街現象(xiang)研制出渦街流量(liang)計，此後渦街流量(liàng)計由于其諸多優(yōu)點得以在工業領(ling)域廣泛應用[1]。      

    在單(dan)相流體介質條件(jian)下對渦街流量計(ji)的研究相對比較(jiào)💯成熟，研究者通過(guo)試驗的方法得到(dao)了大量有價值的(de)試驗結果，并應用(yong)到渦街流量計的(de)開發‼️中，使得渦街(jie)流量計的測量精(jīng)度、可靠🔞性得到了(le)很大的提高✉️[2，3]。工業(ye)測量中經常會有(you)這樣的情況出現(xian)：液體管道中有時(shi)會混入少量的氣(qì)體，被測流質變成(cheng)了氣液兩相流。由(you)于氣液兩相流的(de)複雜性，研究這種(zhǒng)條件下渦街流量(liàng)計測量特性的文(wen)章不多。西安🐇交通(tōng)大學的李永光[4-6]曾(ceng)經在氣液兩相流(liú)的豎直管道上，對(dui)⚽不同形狀的渦街(jie)發生體進行了研(yan)究，對不同截面含(han)氣率下渦街的結(jié)構以及斯🌍特勞哈(hā)爾🤩數的變化進行(háng)了大量的試驗研(yan)究，并給出了斯特(te)🙇🏻勞哈爾數随截面(miàn)含氣率✂️而變化的(de)公式。李永光的🈚工(gong)作主要是從流體(ti)力學的角度對氣(qì)液兩相流中☁️渦街(jiē)現象的機理進行(háng)了研究，其給出的(de)試驗結果🐇涉及到(dao)截面含氣率的測(cè)量[4]。本文通過試驗(yan)從測量的角度，研(yan)究了水平管道中(zhōng)含有少量氣體的(de)液體條件下渦街(jie)♈流量計測量🌈結果(guo)🔆的變化情況，并且(qiě)測量結果分别用(yòng)譜分析和脈沖計(jì)數兩種測量🏃‍♀️方式(shi)得到，通過比較發(fa)現在液含氣流體(ti)條件下譜分析要(yào)明顯優于脈沖計(jì)數的方式。

    1　試驗裝(zhuang)置與試驗方法

    1.1　試(shì)驗裝置

    試驗介質(zhì)由已測定流量的(de)水和空氣組成，分(fen)别送👅入管道混和(he)成氣液兩相流送(sòng)入試驗管段。試驗(yan)裝置如圖1所示。試(shì)🏃🏻‍♂️驗裝置由空氣壓(ya)縮機、儲氣罐、蓄水(shuǐ)罐、分離罐、流量⛷️計(jì)、壓力變送器、溫度(dù)變送器、工控機😘和(he)各種閥門組成。

    空(kōng)氣壓縮機将空氣(qi)壓縮後送入儲氣(qi)罐，标準流量計1計(ji)㊙️量氣液混合前儲(chu)氣罐送入管道的(de)氣體流量🏒。蓄水罐(guàn)距離地面30m，提供試(shì)驗所需的液相，其(qí)流量由标準流量(liàng)計2測得。液相和氣(qi)相經混和器混和(hé)後送入試驗管🤩段(duan)，zui後流入分離罐将(jiāng)水和空氣進行分(fèn)離，空氣由放氣閥(fá)排出，水由水泵送(song)回蓄水罐循環使(shǐ)用。工控機對所有(you)儀表數據進🌐行采(cai)集和顯示并對兩(liang)個電動調節閥進(jìn)行控制，調節氣相(xiang)和液相的流量。

    試(shi)驗所用的渦街流(liú)量計選擇了一台(tai)應用zui多的壓電式(shì)渦街流量傳感器(qì)，其口徑的直徑D=50mm。将(jiāng)渦街傳感💃🏻器放置(zhi)在水平直管段上(shang)，其上下遊直管段(duàn)長度分别爲30D和20D。壓(yā)力變送器和溫度(du)變送器分别放在(zài)渦街流量傳感器(qì)上遊1D和下遊10D的位(wei)置，混和器安裝在(zài)渦街流量計上遊(you)30D的位置。

圖(tú)1 氣液兩相流試驗(yàn)裝置

    1.2 試驗方法    

    通(tōng)過流量計2的測量(liàng)和調節電動閥2，水(shui)的流量取6、8、10、12m³ /h四個流(liu)量值。通過電動閥(fá)1控制，流量計1顯示(shì)空氣注入量的範(fan)圍爲0.3～1.8m³ /h，其壓力範圍(wei)爲0.4～0.5MPa。

    目前工業中應(yīng)用的渦街流量計(jì)大部分是脈沖輸(shū)出，即将旋渦信号(hào)轉化爲脈沖信号(hào)，通過對脈沖信⭐号(hào)計數計算出旋渦(wō)㊙️脫落的頻率。脈沖(chòng)輸出的渦街流量(liang)計主要的缺點是(shì)🌐易受噪聲幹擾👨‍❤️‍👨，對(duì)于小流量來說由(yóu)于信号微弱難以(yi)與噪🍓聲區别。近幾(jǐ)年随着💔數字信号(hao)處理技術的發展(zhǎn)，出現了以DSP爲核心(xīn)，具有譜分析功能(neng)的渦街流量計，這(zhe)種方法提高了對(duì)微弱渦街頻率信(xin)号的識别[7-8]。考慮到(dao)這兩種不同類型(xing)渦街流量計在工(gong)業現場使用，試驗(yàn)中同時用譜分析(xi)方法和脈沖計數(shù)方法對渦街頻率(lǜ)進行計算，并👈對兩(liǎng)種方法進行了比(bǐ)較。

    渦街流量計的(de)轉換電路流程圖(tú)如圖2所示。以5000Hz的頻(pín)率💁對A點的模拟信(xìn)号進行采樣，每次(ci)采樣10組數據，每組(zǔ)數據有⛷️5×10⁴ 個采樣點(diǎn)，将得到的采樣點(diǎn)進行傅裏葉變換(huan)得到不同測㊙️量點(dian)渦街産生的頻率(lü)，同時通過脈沖計(ji)數的方法對B點采(cai)🧡樣。

圖2 渦街(jiē)流量計電路框圖(tú)

    2 渦街流量計的标(biāo)定

    将渦街流量計(jì)在标準水裝置上(shàng)，分别用頻譜分析(xi)和脈沖計數的方(fāng)法進行标定，流體(ti)介質爲水未加氣(qi)體，采用的标準傳(chuán)‼️感器☔爲精度等級(jí)爲0.2級的電磁流量(liàng)計。在每個❌流量測(ce)量點上的儀表系(xì)數用公式（1）計算，然(rán)後用式（2）計算得到(dào)zui終儀表系數K。Q_l 爲被(bei)測水的流量值，f爲(wèi)每一個流量點得(dé)到的頻率，k爲👄每個(ge)測量點得到的儀(yí)表系數。k_max 、k_min 分别爲試(shì)驗流量範圍内得(de)到的zui大與zui小的儀(yí)表系🍓數📞。儀表系數(shù)🙇‍♀️的線性度E₁ 用式（3）來(lái)計算。

    譜分(fen)析和脈沖計數兩(liǎng)種不同方法計算(suan)出的渦街流🈚量計(ji)儀表系數分别爲(wèi)：Ks=10107p/m³ ；Kc=10143p/m³ ；計算得到的儀表(biao)系數線性度分别(bie)爲：1.2%和1.5%。圖3爲儀表系(xi)數随水流量值變(biàn)化的曲線，可以看(kan)出，在試驗所選流(liu)量範圍内，儀表系(xi)數近似于一個常(cháng)數，頻譜分析的結(jie)🔞果與脈沖計數☔所(suo)得到⛷️的試驗結果(guǒ)差别不㊙️大，之間的(de)誤差範圍爲0.109%～0.688%。可見(jian)被🈲測介質全部爲(wei)水時兩種測量方(fāng)🥵法并沒有明顯的(de)區别。

圖3　渦(wo)街流量計儀表系(xi)數

    3　渦街信号分析(xī)

    試驗發現，氣相的(de)加入對渦街流量(liàng)計測量的影響顯(xian)👨‍❤️‍👨著，譜分析和脈沖(chong)計數兩種方法随(suí)着氣相注入的增(zeng)加其表現也不🏃🏻‍♂️同(tong)。圖4反映了水流量(liang)12m³ /h時，注入不同氣含(han)率β時A點的模拟信(xin)号，如圖4（a～c）所示；經譜(pu)分🐉析後🈲得到的頻(pin)率值，如圖4（d～f）所示；用(yong)脈沖計數方法得(dé)到的脈沖信号，如(ru)圖4（g～i）所示。圖4顯示，當(dang)注入氣量不大時(shí)，對渦街流量計的(de)影響🤩不大，無論是(shì)譜分析結果還是(shi)脈沖計數💃🏻得到的(de)結果都比較好。當(dāng)注入☁️的氣量進一(yī)步增加時，渦♈街原(yuan)始信号強度和穩(wen)定性逐漸變差🈲，渦(wō)街頻率信号會被(bei)幹擾信号所淹沒(mei)❌，反映到譜分析圖(tu)‼️是，渦街頻率的譜(pu)能量減小，幹擾㊙️信(xin)✔️号的譜能量加強(qiáng)🌈；對于脈沖信号，會(huì)因爲一些旋🐇渦信(xìn)号減🙇🏻弱，形成脈沖(chong)🐇缺失現象，而不能(neng)真實地反👈映渦街(jiē)産生的頻率。

    表1反映了不同(tóng)流量點Q_l 下，随着注(zhu)氣量Qg的增加，渦街(jie)發生頻率fs和fc的變(bian)化情況。結✨果顯示(shi)，對于不同的水流(liu)量，當注入的氣體(ti)流量增加到一定(ding)🌏範圍時，不📧能再檢(jiǎn)測到渦街信号；在(zài)一定水流量下💞，随(sui)着注氣量的👄增加(jiā)譜🚶‍♀️分析得到的頻(pín)率值會變大，這是(shì)由于總的體積流(liu)量增加了，而脈沖(chòng)計數法則由于産(chan)生脈沖缺失現象(xiang)所得到的㊙️頻率值(zhí)減小。因此在氣液(ye)兩相流下，譜分析(xī)比脈沖計數法有(yǒu)優勢，它💞能在較高(gao)的含氣量依然能(neng)檢測到💋旋渦脫落(luò)的頻率❌。

圖(tú)4 不同注氣量時頻(pín)率信号圖

    4　渦街流量計的誤(wu)差分析

    将試驗數(shu)據進行處理，得到(dao)了渦街流量計測(ce)量誤差随氣相💰含(han)率變化的情況，如(ru)圖5所示。其中δs爲譜(pu)分析方法的測量(liang)誤差，δc爲脈沖計數(shù)方法的測量誤差(chà)🔞。渦街流量計的測(ce)量誤🥵差用式（4）來計(ji)算。其中Qs爲裝置中(zhōng)标準表測量出的(de)管道總流量，Qt爲試(shì)驗管段中渦❗街流(liú)量計的測量值。将(jiāng)譜分析和脈沖計(ji)數得到的頻率值(zhí)和儀表系數分别(bié)代入式（5）計算Qt值。從(cong)圖中可以看出氣(qì)相含率的增加❗兩(liang)種測量方法得到(dào)的誤差❌并不相同(tong)。當含氣率不高時(shi)，0<β<6%，譜分析法的平均(jun1)誤🈚差爲1.226%，zui大誤差爲(wèi)2.687%，脈沖計數法的平(ping)均誤差爲1.583%，zui大誤差(chà)爲2.898%，因此譜分析法(fa)與脈沖計數法的(de)測量誤差區别🙇‍♀️不(bu)大，譜分析沒有明(míng)顯的🐆優勢；在氣相(xiang)含率進一步☎️增加(jia)🤟時，6%<β<14%，譜分析法的平(píng)均誤差爲3.975%，zui大誤差(chà)爲14.058%，脈沖計數法的(de)平⁉️均誤差爲20.053%，zui大誤(wù)差爲33.130%，脈沖計♍數的(de)方法得到的測量(liang)誤差遠大🧡于譜分(fen)析方法。

    含氣液體(ti)測量誤差産生的(de)主要原因是：在氣(qi)液兩相流✏️動中，由(you)于氣泡對旋渦發(fā)生體的撞擊作用(yong)，氣🔞泡對邊界層和(he)旋渦📐脫落的影響(xiǎng)，以及旋渦吸入氣(qi)泡使其強度減🐪弱(ruò)，使旋渦脈沖🔴數缺(quē)失🏃‍♀️，缺失的旋渦數(shù)不穩定，使脈沖計(jì)數方法測量的誤(wu)差增大，而譜分析(xi)的方法在一段時(shi)域内得到主頻☔譜(pǔ)作爲渦街頻率值(zhi)，減小了旋渦缺失(shī)對測⭐量的影響。所(suǒ)以含氣液體流體(tǐ)計量中🐆譜分析方(fāng)法要好于脈沖計(ji)數的方法。

圖5　不同氣(qi)相含率下渦街流(liú)量計的測量誤差(cha)

    5　結束語

    從試驗結(jie)果來看，渦街流量(liang)計在測量混有少(shǎo)量氣✉️體⁉️的🍓液體流(liu)量時，測量誤差會(hui)顯著增加。之所以(yǐ)會出現這樣的情(qíng)況，一方面，氣體在(zài)液體中會形成氣(qi)泡，在旋渦發生體(ti)的後✔️部形成氣團(tuán)，并🐅且旋渦中心會(huì)出現一個低壓區(qū)，吸入大量質量較(jiào)輕的氣泡，從🌐而削(xuē)弱了旋渦的能量(liàng)，使壓電傳感器檢(jian)測不到旋渦，導緻(zhì)檢測過程中脈沖(chong)缺失🌈現象出現；另(ling)一方面，由于旋渦(wo)的能量降低，會增(zeng)加流場本身對旋(xuan)渦脫落的擾動，進(jin)一步增👉加了測量(liang)的誤差。其它方面(miàn)，旋渦發生體🛀🏻後的(de)氣團，旋渦中心區(qū)氣泡的含量🌍、旋渦(wō)外的氣泡量、氣泡(pao)的大小等等都會(hui)影響測量的結🆚果(guǒ)。

    通過上述的試驗(yan)結果及分析表明(ming)，單相液體中混入(rù)少量的✨氣體時會(huì)導緻渦街旋渦強(qiáng)度變弱和可靠性(xing)⭐變差‼️，在這種條🔅件(jian)下測量時譜分析(xi)的方法在氣含率(lü)不大時（0<β<6%）與脈沖計(jì)數的方法差别不(bú)大，但随着氣含率(lǜ)的進一步增加（6%<β<14%），譜(pǔ)分析的方法要好(hǎo)于脈✔️沖計數的方(fang)法。

    參考文獻：

    [1]　PankaninGL.Thevortexflowmeter：Variousmethodsofinvestigatingphenomena[J].MeasSciTechnol，2005，16：R1-R16.
    [2]BentleyJP，MuddJW.Vortexsheddingmechanismsinsingleanddualbluffbodies[J].FlowMeasurementandInstrumentation，2003（14）：23-31.
    [3]BentleyJP，BensonRA.Designconditionsforopti2maldualbluffbodyvortexflowmeter[J].FlowMeasInstrum，1993（4）：205-213.
    [4]李永(yong)光，林宗虎，王樹衆(zhong).氣液兩相流體渦(wō)街中旋渦結❄️構的(de)特性🔴研究[J].西安交(jiāo)通大學學報，1996，30（2）：36-41.
    [5]李永(yǒng)光，林宗虎.氣液兩(liang)相渦街的數值計(jì)算[J].力學與實踐，1997，19（3）：14-18.
    [6]李(li)永光，林宗虎.氣液(ye)兩相渦街穩定性(xìng)的研究[J].力學學報(bao)，1998，30（2）：138-144.
    [7]徐科軍，呂迅宏，陳(chen)榮保，等.基于DSP、具有(you)譜分析功能的🈲渦(wō)❓街流⛱️量計❓信号處(chù)理系統[J].儀器儀表(biǎo)學報，2001，22（3）：255-264.
    [8]孫宏軍，張濤(tāo)，淩箐.基于松弛陷(xian)波周期圖法的渦(wo)街流量💜計🙇‍♀️信号✨處(chu)理技術的研究[J].儀(yí)器儀表學報，2004，25（5）：577-581