當(dāng)流體流過阻擋(dang)體時會在阻擋(dǎng)體的兩側交替(tì)産生旋🎯渦，這種(zhǒng)現象稱爲卡門(mén)渦街。20世紀60年代(dai)日本橫💰河公司(si)首先利用卡門(men)渦街現象研制(zhi)出渦街流量計(ji)，此後渦街流量(liang)計由💞于其諸🔴多(duō)優點得以在工(gōng)業領域廣泛🏃‍♀️應(yīng)用[1]。      

    在單相流體(tǐ)介質條件下對(duì)渦街流量計的(de)研究相對比較(jiào)成熟，研究者通(tong)過試驗的方法(fǎ)得到了大量有(you)價🙇‍♀️值的💰試驗結(jié)果，并應用到渦(wō)街流量計的開(kai)發中，使得♻️渦街(jiē)流量計的⭕測量(liàng)精度、可靠性得(de)到了很大的提(tí)高[2，3]。工業測量中(zhong)經常會有這樣(yang)的情況出現：液(ye)體管道中有時(shí)會混入✌️少量的(de)氣體，被測流質(zhì)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(liàng)計測量特性的(de)文章不多。西安(an)交通大學的李(li)永光[4-6]曾經在氣(qi)液兩相流的豎(shù)直管道上，對不(bú)同形狀的渦街(jie)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(ji)斯特勞哈爾數(shù)的變化進行了(le)大量的試驗研(yán)究，并給出了斯(sī)特🤞勞哈🚩爾數随(suí)截面含氣率而(er)變⭕化的公式。李(li)永光的工作主(zhǔ)要是從流體力(li)學的角度對氣(qì)液兩相流中😄渦(wo)街現象的機理(lǐ)進🏒行了研究，其(qí)給出的試驗結(jie)🈚果涉及到截面(miàn)含氣率🔅的測量(liang)[4]。本文通過試驗(yàn)從測量的角🤩度(dù)，研究了水平管(guan)道👌中含有少量(liàng)氣體的液體條(tiao)件下渦街流量(liàng)計測量結果的(de)變化情況⭐，并且(qie)測👈量結果分别(bié)用譜分析和脈(mò)沖計數兩種測(cè)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(chòng)計📧數的方式。

    1　試(shì)驗裝置與試驗(yan)方法

    1.1　試驗裝置(zhì)

    試驗介質由已(yǐ)測定流量的水(shui)和空氣組成，分(fen)别送入㊙️管道✉️混(hùn)❌和成氣液兩相(xiang)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(liàng)計、壓力變送器(qì)、溫度變送器、工(gōng)控機和各種閥(fá)門組成。

    空氣壓(ya)縮機将空氣壓(yā)縮後送入儲氣(qi)罐，标準流量計(jì)1計量氣液🌈混合(hé)前儲氣罐送入(ru)管道的氣體流(liú)量。蓄水✏️罐距❓離(lí)地面30m，提供試驗(yan)所需的液相，其(qí)流量由标準流(liú)量計2測得。液相(xiàng)和氣相經混和(he)🈲器混和後送入(rù)試驗管段，zui後流(liu)入分離罐将水(shui)和空氣進行分(fen)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(kòng)機對所有儀表(biǎo)數據進行采集(jí)和顯示并對兩(liǎng)個電動調節閥(fa)㊙️進行控制，調節(jie)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(yīng)用zui多的壓電式(shi)渦🍓街流量傳感(gan)器，其口徑的直(zhi)徑D=50mm。将渦街傳感(gǎn)器放置在水平(ping)㊙️直管段上🍓，其上(shang)下遊直管段長(zhang)度分别爲30D和📧20D。壓(yā)力變✌️送器和溫(wen)度變送器分💜别(bie)放在渦街流量(liàng)傳感🈲器上遊1D和(hé)下遊10D的位置，混(hùn)和器安裝在渦(wō)街流量計上遊(you)30D的位置。

圖1 氣液兩相(xiàng)流試驗裝置

    1.2 試(shi)驗方法    

    通過流(liu)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(liang)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(ying)用的渦街流量(liang)計大部分是脈(mo)沖輸出，即将旋(xuán)渦信号轉化爲(wèi)脈沖信号，通過(guò)對脈沖信号計(ji)數計算出旋渦(wo)脫落♊的頻率。脈(mo)沖輸出的渦街(jiē)🔞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(yu)信号微弱難以(yǐ)與噪聲區别。近(jin)幾年随着數字(zì)信号處理技術(shu)的發🌐展，出現了(le)以DSP爲核心，具有(yǒu)譜分析功能✉️的(de)渦街流量計，這(zhè)種方法提高了(le)對微弱渦街頻(pín)率信号的識别(bié)[7-8]。考慮到這兩種(zhong)不同類型渦街(jie)流量計在工業(yè)現場使用，試驗(yan)中同時用譜分(fèn)析方法和脈沖(chòng)計數方法對渦(wō)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(yàng)10組數據，每🏒組數(shù)據有5×10⁴ 個采樣點(diǎn)，将得到的采樣(yang)點進行傅裏葉(ye)變換得到✂️不🌈同(tóng)測量點渦街産(chan)生的頻率，同時(shí)通過脈沖計數(shu)的方法對B點采(cai)樣。

圖(tu)2 渦街流量計電(dian)路框圖

    2 渦街流(liú)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(fen)析和脈✍️沖計數(shu)🛀的方法進行标(biāo)定，流體介質爲(wei)水未加氣體，采(cai)用的标準傳感(gan)器爲精度等級(jí)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(bei)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(xi)數。k_max 、k_min 分别爲試驗(yàn)流量範圍内得(dé)到的zui大與zui小的(de)儀表系💁數。儀表(biǎo)系數的線性度(dù)E₁ 用式（3）來計算。

    譜分析(xi)和脈沖計數兩(liǎng)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(shu)線性度分别爲(wei)：1.2%和1.5%。圖3爲儀表系(xi)數随水㊙️流⛹🏻‍♀️量值(zhí)變化的曲線，可(kě)以看出，在試驗(yàn)所選流量範圍(wei)内，儀表系數近(jìn)似于一個常數(shù)，頻譜分析的結(jié)果與脈沖計數(shu)所得到🐉的試驗(yan)結果差别不大(da)，之間的💯誤差範(fan)圍爲0.109%～0.688%。可見被測(ce)介質全部爲水(shui)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(liu)量計測量的影(ying)響顯著，譜分析(xi)🔴和脈沖計數兩(liǎng)種方法随着氣(qì)相注入的增加(jia)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(tú)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(fǎ)得到的脈沖信(xìn)号，如圖4（g～i）所示。圖(tu)4顯示，當注入氣(qì)量不大時，對渦(wo)街🏃🏻‍♂️流量計的影(ying)響不大，無論是(shi)譜分析📞結果還(hái)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(zeng)加時，渦街原始(shi)信号⭐強度和穩(wen)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(wo)街頻率的譜能(néng)量減小，幹擾🚶信(xìn)号的譜能量加(jiā)強♌；對于脈沖信(xìn)号，會因❄️爲一些(xiē)旋渦信号減弱(ruo)，形成脈沖缺失(shī)現象，而不能真(zhēn)實地反映渦街(jiē)産生的頻率。

    表1反映(ying)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(bian)化情況。結果顯(xiǎn)示，對于不同的(de)水流量，當注入(rù)的氣體流💁量增(zeng)✨加到一定🐇範圍(wéi)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(liang)增加了，而🚩脈沖(chòng)計數法則由于(yú)産生脈沖缺失(shi)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(jiào)高的含氣量依(yī)然能檢測到旋(xuan)渦脫落的頻率(lǜ)。

圖4 不(bú)同注氣量時頻(pin)率信号圖

    4　渦街流量(liàng)計的誤差分析(xī)

    将試驗數據進(jin)行處理，得到了(le)渦街流量計測(ce)量誤🤞差随✉️氣相(xiang)含率變化的情(qíng)況，如圖5所示。其(qi)中δs爲譜分析方(fang)法的測量誤差(chà)，δc爲脈沖計數方(fang)法的測量誤差(chà)。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(biǎo)😘測量出的管道(dao)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(rù)式（5）計算Qt值。從圖(tú)中可📱以看出氣(qi)相含率🈲的增加(jia)兩種測量方法(fa)得到的誤差📱并(bìng)不相同。當含氣(qì)☂️率不高時，0<β<6%，譜分(fen)析法的平均誤(wù)差爲1.226%，zui大誤差爲(wei)2.687%，脈沖計☎️數法的(de)平均誤差爲1.583%，zui大(da)誤差爲2.898%，因此譜(pǔ)分析法與脈沖(chong)計數法的測量(liàng)誤差區别👣不大(dà)，譜分析沒有明(míng)顯的優🤩勢；在氣(qì)相含率進一步(bu)👄增加時，6%<β<14%，譜分析(xī)法的平均誤差(cha)🌏爲3.975%，zui大誤差爲14.058%，脈(mo)沖計數法的平(ping)均誤差爲20.053%，zui大誤(wù)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(fa)💔。

    含氣液體測量(liàng)誤差産生的主(zhu)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(zhuàng)擊作用，氣泡對(duì)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(jian)弱，使旋✂️渦脈沖(chong)數缺失，缺失的(de)旋渦數不穩定(ding)，使脈沖計數方(fāng)法測🐇量的誤差(cha)增大，而譜分析(xī)的方法😍在一段(duan)時域内得到主(zhǔ)頻⭕譜作爲渦街(jiē)頻率值，減小了(le)旋渦缺失對測(cè)量的影響。所以(yi)含氣液體流體(ti)計量中譜分析(xi)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(liàng)誤差

    5　結束語

    從(cong)試驗結果來看(kàn)，渦街流量計在(zai)測量混有少量(liang)氣體的液體流(liu)量時，測量誤差(chà)會顯著增加。之(zhi)所以會出現這(zhe)樣的情況，一方(fang)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(qì)團，并且旋渦中(zhong)心👅會出現一個(ge)低壓區，吸入大(dà)量質量較輕的(de)氣泡，從而削弱(ruo)了旋🚶‍♀️渦的能量(liàng)，使壓電傳感器(qi)檢測不到旋🐅渦(wō)，導緻檢測過🚶‍♀️程(chéng)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(zēng)加流場本身對(dui)旋渦脫落👈的擾(rǎo)動，進一步增加(jia)了測量的誤差(cha)🌈。其它方面，旋渦(wo)發生體後的氣(qì)團，旋渦中心區(qu)氣泡的含量、旋(xuan)渦外的氣泡量(liàng)、氣泡的大小等(deng)等都會影響測(ce)量的結果。

    通過(guo)上述的試驗結(jie)果及分析表明(ming)，單相液體中混(hun)🈚入少量的🏃🏻‍♂️氣👌體(tǐ)時會導緻渦街(jie)旋渦強度變弱(ruo)和可靠性🌐變差(chà)，在這種條件下(xia)測量時譜分析(xi)的方法在氣含(hán)率不大時（0<β<6%）與脈(mò)沖計數的方法(fa)差别不大，但随(sui)着氣含率的進(jìn)一步增加（6%<β<14%），譜分(fèn)析的方法要好(hǎo)于脈❗沖計數的(de)方法。

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