當(dāng)流體流過阻擋(dang)體時會在阻擋(dǎng)體的兩側交替(ti)産💁生旋🏃‍♀️渦，這種(zhong)現象稱爲卡門(mén)渦街。20世紀60年代(dai)日本橫河公司(sī)首先利用卡門(men)渦街現象研制(zhì)出渦街流量計(ji)，此後渦街流量(liàng)計由㊙️于其諸🔞多(duo)優點得以在工(gong)業領域廣泛應(ying)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(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(dé)到了很大的提(tí)高[2，3]。工業測量中(zhōng)經常會有這樣(yàng)的情況出現♻️：液(yè)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(liǎng)相🎯流。由于氣液(ye)兩相流的複雜(za)性🏃，研究這種條(tiao)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(jié)面含氣率下渦(wo)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(ér)變化的公式。李(lǐ)永光的🈲工作主(zhu)要❌是從流體力(lì)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(guan)道㊙️中含有少量(liàng)氣體的液體條(tiáo)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(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(zai)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(yàn)方法

    1.1　試驗裝置(zhi)

    試驗介質由已(yǐ)測定流量的水(shui)和空氣組成，分(fèn)别送入管道混(hun)和成氣液兩相(xiang)流送入試驗管(guan)段。試驗裝置如(ru)圖1所示。試驗裝(zhuāng)置由空氣壓縮(suō)機、儲氣罐、蓄水(shui)🤩罐、分離罐、流量(liàng)計、壓力變送器(qi)、溫度變送器、工(gōng)控機和各種閥(fá)門組成。

    空氣壓(yā)縮機将空氣壓(yā)縮後送入儲氣(qì)罐，标準流量計(jì)1計量氣液混合(hé)前儲氣罐送入(rù)管道的氣體流(liú)量。蓄水罐距離(li)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(liú)入分離罐将水(shuǐ)和空氣進行分(fen)離❓，空氣由放氣(qì)閥排出，水由水(shuǐ)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(liang)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(yòng)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(gǎn)器，其口徑的直(zhí)徑D=50mm。将渦街傳感(gan)🈲器放置在水平(píng)直管段上，其上(shàng)下遊直管段長(zhang)度分别爲30D和20D。壓(yā)力變送器和㊙️溫(wēn)度變送器分别(bie)放在渦街流量(liang)傳感器上遊1D和(hé)下遊10D的位置，混(hun)和器安裝在渦(wo)街流量計上遊(you)30D的位置。

圖1 氣液兩相(xiang)流試驗裝置

    1.2 試(shi)驗方法    

    通過流(liú)量計2的測量和(hé)調節電動閥2，水(shuǐ)的流量取6、8、10、12m³ /h四個(ge)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(wèi)0.3～1.8m³ /h，其壓力範圍爲(wei)0.4～0.5MPa。

    目前工業中應(ying)用的渦街流量(liàng)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(ji)數計🙇🏻算出旋渦(wō)🤩脫落的頻率。脈(mò)沖輸出的渦街(jiē)流量計主要的(de)缺點是易受噪(zao)聲幹擾，對于小(xiao)流量來說由于(yú)信号微弱難以(yǐ)與噪聲區别。近(jìn)幾年随着數字(zì)信号處理技術(shù)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(zhè)種方法提高了(le)對微弱渦街頻(pin)💃率信号🈚的識别(bie)[7-8]。考慮到這♋兩種(zhong)不同類型渦街(jiē)流量計在工業(ye)㊙️現場使用，試驗(yan)中同時用譜分(fen)析方法和脈沖(chong)計數方法對渦(wo)街頻率進行計(jì)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(yi)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(dian)，将得到的采樣(yàng)點進行傅裏葉(yè)變換得到不🧑🏽‍🤝‍🧑🏻同(tong)🈲測量點🌈渦街産(chan)生的頻率，同時(shi)通過脈沖計數(shù)的方‼️法對B點采(cǎi)樣。

圖(tú)2 渦街流量計電(diàn)路框圖

    2 渦街流(liú)量計的标定

    将(jiāng)渦街流量計在(zài)标準水裝置上(shang)，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(cǎi)用的标準傳感(gǎn)器爲精度等級(jí)爲0.2級的電磁流(liu)量計。在每個流(liú)量測量點上的(de)儀表😍系數用公(gōng)式（1）計算，然後🌈用(yong)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(zhi)，f爲每一個流量(liàng)點得到的頻率(lü)💁，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(liǎng)種不同方法計(ji)算出的渦街流(liú)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(xì)數随㊙️水流⭕量值(zhi)變化的曲線，可(kě)以看出，在試驗(yan)所⛱️選流量範圍(wéi)内，儀表系數近(jin)似于一個常數(shù)，頻譜分析的結(jie)果與脈沖計數(shù)所得到💜的試驗(yàn)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(shuǐ)時⚽兩種測量方(fang)法并沒有明顯(xiǎn)的區别。

圖3　渦街流量(liàng)計儀表系數

    3　渦(wo)街信号分析

    試(shi)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(liǎng)種方法随着氣(qi)相注入☀️的增加(jia)其表現🔱也不同(tong)。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(lǜ)值，如圖4（d～f）所示；用(yòng)脈沖計數方法(fa)得到的脈沖信(xìn)号，如圖4（g～i）所示。圖(tú)4顯示，當注入氣(qi)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(hái)是脈沖計數得(dé)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(shǐ)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(dào)譜分析圖是，渦(wo)街💃頻率的譜能(neng)量減小，幹擾信(xìn)号的譜能量加(jiā)強🈲；對于脈沖信(xin)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(dian)Q_l 下，随着注氣量(liang)Qg的增加，渦街發(fā)生頻率fs和fc的變(bian)化情況。結⛹🏻‍♀️果顯(xian)示，對于不同的(de)水流量，當注入(rù)的氣體流量增(zēng)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(hui)變大，這是由于(yú)總的體積流量(liàng)增加了，而脈沖(chòng)計數法則由于(yu)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(bi)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(lü)。

圖4 不(bu)同注氣量時頻(pin)率信号圖

    4　渦街流量(liang)計的誤差分析(xī)

    将試驗數據進(jìn)行處理，得到了(le)渦街流量計測(ce)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(fang)法的測量🧑🏽‍🤝‍🧑🏻誤差(chà)🔱，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(shì)（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(liú)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(biǎo)🚶系數分别代入(rù)式（5）計算Qt值。從圖(tu)中可以看出氣(qi)相含率的增加(jiā)兩種測量方法(fǎ)得到的誤差🌐并(bing)不相同。當含氣(qi)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(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(liang)誤差區别🏃‍♂️不大(da)，譜分析沒有明(míng)顯的優勢；在氣(qi)相含率進一步(bù)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(mò)沖計🈲數法的平(ping)💜均誤差爲20.053%，zui大誤(wu)差爲33.130%，脈沖計數(shu)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(liang)誤差産生的主(zhu)要原因是：在氣(qì)液兩相流動🧡中(zhōng)，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(wō)脫落🔞的影響，以(yi)及旋渦吸入氣(qi)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(dìng)，使脈沖計數方(fang)法測量的誤差(cha)增大，而譜分析(xi)的方法在一段(duàn)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(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(fǎ)。

圖5　不同氣(qì)相含率下渦街(jie)流量計的測量(liang)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(liàng)氣體的液體♌流(liú)量時，測量誤差(cha)會顯著增加。之(zhī)所以會出現這(zhè)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(ge)低壓區，吸入大(da)量質量較輕的(de)氣泡，從👄而削弱(ruò)了旋渦的能量(liang)，使壓電傳感器(qì)檢測不到旋渦(wō)，導緻檢測過程(chéng)中脈沖缺失現(xian)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(duì)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(wō)發生體後的氣(qì)團，旋渦中心區(qū)氣泡的含量、旋(xuán)渦✊外的氣泡量(liang)、氣泡的大小等(deng)等都會影響測(cè)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(jiē)旋渦強度變弱(ruò)和可靠性變差(cha)，在這種條件下(xia)測量時譜分析(xī)的方法在🏃‍♂️氣含(hán)率不大時（0<β<6%）與脈(mò)沖計數的🔅方法(fǎ)差✌️别不大，但随(suí)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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