當(dang)流體流過阻擋(dǎng)體時會在阻擋(dǎng)體的兩側交替(tì)産生旋渦，這種(zhong)現象稱爲卡門(mén)渦街。20世紀60年代(dài)日本橫河公司(si)首先利☔用卡門(mén)渦街現象研制(zhi)出渦街流量計(jì)，此後渦街流量(liang)計由于其諸多(duo)優點得以在工(gong)業領域廣泛應(yīng)用[1]。      

    在單相流體(ti)介質條件下對(duì)渦街流量計的(de)研究相對比較(jiao)成熟，研究者通(tong)過試驗的方法(fa)得到了大量🐅有(yǒu)價值的㊙️試驗結(jie)果，并應用到渦(wo)街流量計的開(kāi)發❓中，使得🈚渦街(jie)流✔️量計的🈲測量(liàng)精度、可靠性得(dé)到了很大的提(ti)高🈲[2，3]。工業測量中(zhōng)經常會有這樣(yang)的情況出現：液(ye)體管道中有時(shi)會混入💜少量的(de)氣體，被測流質(zhi)變成了氣液兩(liang)相流。由于氣液(yè)兩相流的複雜(zá)性，研究這種條(tiáo)件下渦街流量(liang)計測量特性的(de)文章不多。西安(ān)交通大學的李(lǐ)永光[4-6]曾經在氣(qì)液兩相🈲流的豎(shu)直管道上，對不(bú)同形狀的渦街(jiē)發生體進行了(le)研👣究，對不同截(jie)面含氣率下渦(wō)街的結構以及(jí)斯🏒特勞哈爾🛀🏻數(shu)的變化進✍️行了(le)大量的試驗研(yan)究，并給出了斯(si)特勞哈爾數随(suí)截面含氣率而(er)變化的公式。李(lǐ)永光的工作主(zhu)要是從流體力(li)學的角度對氣(qi)液兩相流中渦(wō)街現象的機理(li)進行了研究，其(qi)給出的試驗結(jie)💞果涉及到截面(mian)含氣率的測量(liang)[4]。本🥵文通過試驗(yan)從測量的角度(dù)，研究了水平管(guǎn)道中含有少量(liàng)氣📧體的液體條(tiao)件下渦街流量(liang)計測量👨‍❤️‍👨結果的(de)變化情況💜，并且(qie)測🌍量結果分别(bie)用譜分析和脈(mo)沖計數兩種測(ce)量方式得到，通(tōng)過比較發現在(zài)液含氣流體條(tiáo)件下譜分析要(yao)明顯優于脈沖(chong)計數的方式。

    1　試(shì)驗裝置與試驗(yan)方法

    1.1　試驗裝置(zhi)

    試驗介質由已(yǐ)測定流量的水(shuǐ)和空氣組成，分(fen)别送入😍管道混(hùn)和成氣液兩相(xiàng)流送入試驗管(guan)段。試驗裝置如(rú)圖1所🈲示。試驗裝(zhuang)置由空氣壓縮(suo)機、儲氣罐、蓄水(shui)罐、分離♊罐、流量(liang)計、壓力變送器(qi)、溫度變送器、工(gōng)控機🤟和各種閥(fa)門組成。

    空氣壓(ya)縮機将空氣壓(ya)縮後送入儲氣(qi)罐，标準流量計(ji)1計量氣液混合(hé)前儲氣罐送入(rù)管道的氣體流(liu)量。蓄水罐距離(li)地面30m，提👣供試驗(yàn)所需的液相，其(qi)流量由标準流(liu)量計2測🛀🏻得。液相(xiang)和氣相♉經混和(hé)器混和後送入(rù)試驗管💯段，zui後流(liú)入分離罐将水(shuǐ)和空氣進行分(fèn)離，空氣由放氣(qi)閥排出，水由水(shui)泵送回蓄水罐(guàn)循環使用。工控(kong)機對所有儀表(biao)數據進🚩行采集(jí)和顯示并對兩(liǎng)個電動調節閥(fá)進行控制，調節(jiē)氣相和液相的(de)流量。

    試驗所用(yong)的渦街流量計(jì)選擇了一台應(ying)用zui多的壓電式(shì)渦街流量傳感(gan)器，其口徑的直(zhí)徑D=50mm。将渦街傳感(gǎn)器放置在水平(píng)直管☀️段上，其上(shang)下遊直管段長(zhǎng)度分别爲30D和20D。壓(ya)力變送器和溫(wēn)度變送器分🛀🏻别(bié)放在渦街流量(liang)傳感器上遊1D和(hé)下遊10D的位⚽置，混(hùn)和器安裝在渦(wo)🤟街流量計上遊(yóu)30D的位置。

圖1 氣液兩相(xiàng)流試驗裝置

    1.2 試(shì)驗方法    

    通過流(liú)量計2的測量和(he)調節電動閥2，水(shui)的流量取6、8、10、12m³ /h四個(gè)流量值。通過電(diàn)動閥1控制，流量(liàng)計1顯示空氣注(zhu)入😍量的範圍爲(wei)0.3～1.8m³ /h，其壓力範圍爲(wèi)0.4～0.5MPa。

    目前工業中應(yīng)用的渦街流量(liang)計大部分是脈(mò)沖輸出，即🛀🏻将💔旋(xuan)渦信号轉化爲(wei)脈沖信号，通過(guo)對脈沖信号計(jì)🔞數計算出旋渦(wō)🧡脫落的頻率。脈(mo)沖輸出的渦街(jie)流量計主要的(de)缺點是易受噪(zào)🔞聲幹擾，對于小(xiǎo)流量來說由于(yú)✌️信号微弱難以(yǐ)與噪聲區别。近(jin)幾年随着數字(zi)信号處理技術(shu)的發展，出現了(le)以DSP爲核心，具有(you)㊙️譜分析功能✨的(de)渦街流量計，這(zhe)種方法提高了(le)對微弱渦街頻(pin)☎️率信号的識别(bié)[7-8]。考慮到這☁️兩種(zhǒng)不同類型渦街(jie)流量計在工業(yè)⭐現場使用，試驗(yàn)中同📐時用譜分(fèn)析方法和脈沖(chòng)計數方法對渦(wo)街頻率進行計(ji)算，并對兩種方(fang)法進行了比較(jiào)。

    渦街流量計的(de)轉換電路流程(chéng)圖如圖2所示。以(yǐ)5000Hz的頻💔率對🚩A點的(de)模拟信号進行(háng)采樣，每次采樣(yang)10組數據，每組數(shu)據有5×10⁴ 個采樣點(diǎn)，将得到的采樣(yang)點進行傅裏葉(yè)變換得到🔴不同(tóng)🔅測量點渦街産(chan)生的頻率，同時(shi)通過脈沖計數(shu)的方法對B點采(cai)樣。

圖(tú)2 渦街流量計電(dian)路框圖

    2 渦街流(liu)量計的标定

    将(jiang)渦街流量計在(zai)标準水裝置上(shàng)，分别用頻譜分(fèn)析和脈沖計數(shù)⛱️的方法進行标(biao)定，流體介質爲(wei)水未加氣體，采(cai)用的标準傳📐感(gǎn)器爲精度等級(ji)爲0.2級的電磁流(liu)量計。在每個流(liu)量測量點上的(de)儀表系數用公(gong)式（1）計算，然後用(yòng)式（2）計算得到zui終(zhōng)儀表系數K。Q_l 爲被(bèi)測水的流量值(zhí)，f爲每一個流量(liang)點得到的頻率(lǜ)，k爲每個測量點(diǎn)得到的儀表系(xì)數。k_max 、k_min 分别爲試驗(yan)流量範圍内得(de)到的zui大與zui小的(de)儀表系數。儀表(biao)系數的線性度(du)E₁ 用式（3）來計算。

    譜分析(xī)和脈沖計數兩(liang)種不同方法計(ji)算出的渦街💋流(liu)量計儀表系數(shu)分别爲：Ks=10107p/m³ ；Kc=10143p/m³ ；計算得(dé)到的儀表系數(shù)線性度分别爲(wèi)：1.2%和1.5%。圖3爲儀表系(xi)數随水流❤️量值(zhi)變化的曲線，可(ke)以看出，在試驗(yan)所選流量範圍(wéi)内，儀表系數近(jìn)似于一個常數(shu)，頻譜分析的結(jie)果與脈沖計數(shu)所得到❓的試驗(yàn)👈結果差别不大(da)，之間的誤差範(fàn)圍爲0.109%～0.688%。可見被測(ce)介質全部爲水(shuǐ)時兩種測量方(fāng)法并沒有明🌐顯(xian)的區别。

圖3　渦街流量(liàng)計儀表系數

    3　渦(wō)街信号分析

    試(shì)驗發現，氣相的(de)加入對渦街流(liú)量計測量的影(yǐng)響顯著，譜分析(xī)🏃🏻‍♂️和脈沖計數兩(liang)種方法随着氣(qì)相注入🈲的增加(jiā)其表現🆚也不同(tóng)。圖4反映了水流(liu)量12m³ /h時，注入不同(tong)氣含率β時A點的(de)模拟信号，如圖(tu)4（a～c）所示；經💯譜分💘析(xī)後得到的頻率(lü)值，如圖4（d～f）所示；用(yong)脈沖計數方法(fa)得到的脈沖信(xin)号，如圖4（g～i）所示。圖(tú)4顯示，當注入氣(qì)量不大時，對渦(wo)街流量計的影(yǐng)響⭕不大，無論是(shi)譜分析🙇🏻結果還(hai)是脈沖計數得(de)到的結🍓果都比(bi)較好。當注入的(de)氣量進一步增(zēng)加時，渦街原始(shǐ)信号強度和穩(wěn)定性逐漸變差(chà)，渦街頻率信号(hao)會被幹擾信号(hào)所💋淹沒‼️，反映到(dao)譜分析圖是，渦(wō)街頻率的譜🐕能(neng)量減小，幹擾✂️信(xin)⁉️号的譜能量加(jia)強🔴；對于脈沖信(xìn)号，會因爲一些(xie)旋🏃‍♀️渦信号減弱(ruo)，形成脈沖缺失(shi)現象，而不能真(zhēn)實地反映渦街(jie)産生的頻率。

    表1反映(yìng)了不同流量點(diǎn)Q_l 下，随着注氣量(liang)Qg的增加，渦街發(fa)生頻率fs和fc的變(biàn)化情況。結果顯(xiǎn)💃示，對于不同的(de)水流量，當注入(ru)的氣體流量增(zeng)加到一定範圍(wei)時，不📧能再檢測(cè)到渦街信号；在(zai)一定水流量下(xià)，随着注氣量的(de)增加譜分析得(dé)到的頻率值會(huì)變大，這是由于(yu)總的🌈體積流量(liàng)增加了，而脈沖(chòng)計數法則由于(yú)産生脈沖缺失(shī)現象所得到的(de)頻率值減小🥰。因(yīn)此在氣液兩相(xiang)流下，譜分析比(bǐ)脈沖🔴計數法有(you)優勢，它能在較(jiao)🚶高的含氣量依(yi)然能檢測到👈旋(xuan)渦脫落的頻率(lü)☀️。

圖4 不(bú)同注氣量時頻(pín)率信号圖

    4　渦街流量(liàng)計的誤差分析(xi)

    将試驗數據進(jìn)行處理，得到了(le)渦街流量計測(cè)量誤差随氣相(xiàng)含率變化的情(qíng)況，如圖5所示。其(qí)中δs爲譜分析方(fāng)法的測量誤差(cha)，δc爲脈沖計數方(fāng)法的測量誤差(cha)。渦街流量計的(de)測量誤差用式(shi)（4）來計算。其中Qs爲(wei)裝置中标準表(biao)測量出的♋管道(dào)總流🥵量，Qt爲試驗(yàn)管段中渦街流(liu)量計的✍️測量值(zhí)。将譜分析和脈(mo)沖☁️計數得到的(de)🍓頻率值和儀表(biao)系數分别代入(ru)式（5）計算Qt值。從圖(tu)中可以看出氣(qì)相含率的增加(jia)兩種測量方法(fǎ)得到的誤差并(bing)不相同。當含氣(qì)率不高時，0<β<6%，譜分(fen)析法的平均誤(wu)差爲1.226%，zui大誤差爲(wèi)2.687%，脈沖計數法的(de)🔅平均誤差爲1.583%，zui大(dà)⭐誤差爲2.898%，因此譜(pu)分析法與脈沖(chòng)計數法的測量(liàng)🚶‍♀️誤差區别🌈不大(dà)，譜分析沒有明(ming)顯的優勢；在氣(qi)相含率進一步(bù)🈲增加㊙️時，6%<β<14%，譜分析(xi)法的平均誤差(cha)爲📞3.975%，zui大誤差爲14.058%，脈(mò)沖計數法的平(píng)均誤差爲20.053%，zui大誤(wu)差爲33.130%，脈沖計🚶數(shù)的方法得到的(de)測量誤差遠大(dà)于譜分析方法(fǎ)。

    含氣液體測量(liàng)誤差産生的主(zhǔ)要原因是：在氣(qì)液兩相流動中(zhong)，由🌐于氣泡對旋(xuán)渦發生體的撞(zhuang)擊作用，氣泡對(dui)邊界層和旋渦(wo)♈脫落的影響，以(yǐ)及旋渦吸入氣(qì)泡使其強度減(jiǎn)弱，使旋渦脈沖(chòng)數缺失，缺失的(de)旋渦數不穩定(dìng)，使脈沖計❄️數方(fang)法測量的誤差(cha)增大，而譜分析(xī)的方法在一段(duàn)時域内得到主(zhu)頻譜作爲渦街(jie)🔱頻率值，減小了(le)旋渦缺失對測(cè)量的影響。所以(yǐ)含氣液體流體(ti)計量中譜分析(xī)方法要好于脈(mo)沖計數的方法(fa)。

圖5　不同氣(qi)相含率下渦街(jie)流量計的測量(liang)誤差

    5　結束語

    從(cóng)試驗結果來看(kàn)，渦街流量計在(zai)測量混有少量(liàng)氣體的液體流(liu)量時，測量誤差(cha)會顯著增加。之(zhī)所以會出現這(zhe)樣的情況，一方(fāng)面，氣體在液體(ti)中會形成氣泡(pào)，在旋渦發生體(ti)的後🐅部形成氣(qi)團，并且旋渦中(zhong)心會出現一個(gè)低壓區，吸入大(dà)量質量較輕💯的(de)氣泡，從🔞而削弱(ruò)了旋渦的能量(liàng)，使壓電傳感器(qi)檢測不到旋渦(wo)，導緻檢測過程(cheng)中脈沖缺失現(xiàn)象出現；另一方(fāng)面，由于旋渦的(de)能量降低，會增(zeng)加流場本身對(dui)旋渦脫落的擾(rao)動，進一步增加(jiā)了測量的誤差(cha)🚶。其它方面，旋✔️渦(wō)發生體後的氣(qi)團，旋⚽渦中心區(qū)氣泡的含量、旋(xuan)渦外的氣泡量(liang)、氣泡的大小🈲等(děng)等都會影響測(ce)量的結果。

    通過(guo)上述的試驗結(jié)果及分析表明(míng)，單相液體中混(hùn)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻入少量的🏃氣體(tǐ)時會導緻渦街(jie)旋渦強度變弱(ruò)和可靠性💛變差(cha)，在這種條件下(xià)測量時譜分析(xi)的方法在氣含(han)率不大時⭐（0<β<6%）與脈(mò)沖計數的方法(fǎ)差别不大，但随(sui)着氣含率的進(jin)一步增加（6%<β<14%），譜分(fen)析的方法要好(hao)于脈沖計數的(de)方法。

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