當流體(tǐ)流過阻擋(dǎng)體時會在(zài)阻擋體的(de)兩側交替(tì)産生旋渦(wō)，這🎯種㊙️現象(xiang)稱爲卡門(mén)渦街。20世紀(jì)60年代日本(běn)橫河公司(si)首先利用(yong)卡門渦💰街(jie)現象研制(zhi)出渦街流(liu)量計，此後(hòu)渦街流✏️量(liàng)計由于其(qí)諸🥵多優點(dian)得以在工(gōng)業💛領域廣(guǎng)泛應用[1]。      

    在(zài)單相流體(tǐ)介質條件(jian)下對渦街(jiē)流量計的(de)研究相🔱對(dui)比🔆較成熟(shu)，研究者通(tōng)過試驗的(de)方法得到(dào)了大量有(yǒu)價值的試(shi)驗♌結果，并(bing)應用到渦(wo)街流量計(ji)的開發中(zhōng)，使得渦街(jie)流❗量計的(de)測量精度(dù)、可靠性得(de)到了很🚶‍♀️大(dà)的提高[2，3]。工(gong)業測量中(zhōng)經常會有(yǒu)這樣的情(qing)況出現：液(ye)體管道中(zhong)有時會混(hun)入少量的(de)氣體✍️，被測(ce)流質變成(cheng)了氣液兩(liang)🤟相流。由于(yu)氣液兩相(xiàng)流的複雜(zá)性，研究這(zhe)種條件下(xià)渦街流量(liàng)計測量特(te)性的文章(zhāng)不多。西安(an)🙇‍♀️交通大學(xué)的李永光(guāng)[4-6]曾經在氣(qi)液兩相流(liu)的豎直💔管(guan)道上，對不(bu)同形狀的(de)渦街發生(sheng)體進行了(le)研究，對不(bu)同截面含(han)氣率下渦(wo)街的結構(gou)以及斯✉️特(te)勞哈爾數(shu)的變化進(jin)🐕行了大量(liàng)的⛷️試驗研(yan)究，并給出(chū)了斯特勞(láo)哈爾數随(sui)截面含氣(qi)率✂️而變化(hua)♌的公式。李(lǐ)永光的㊙️工(gōng)作主要是(shì)從流體力(lì)學的角度(du)🔴對氣液兩(liang)相流中渦(wō)街現象的(de)機理進行(háng)了研究，其(qi)給出的試(shì)驗結果涉(shè)及到截面(miàn)含氣率的(de)測量[4]。本文(wen)通過試驗(yan)從測量的(de)角度，研究(jiu)了水平管(guǎn)道中含有(you)少量氣體(tǐ)的液體條(tiao)件下渦街(jiē)流量計測(ce)量結果的(de)變化情況(kuang)，并且測量(liàng)結果分别(bié)用譜分析(xi)和脈沖計(ji)數兩種測(cè)量方式得(de)到，通過比(bi)較發現在(zài)液含氣流(liu)體條件下(xià)譜分㊙️析要(yao)明顯優于(yu)脈沖計數(shù)的方式。

    1　試(shì)驗裝置與(yu)試驗方法(fǎ)

    1.1　試驗裝置(zhì)

    試驗介質(zhi)由已測定(ding)流量的水(shui)和空氣組(zǔ)成，分别送(sòng)🎯入管道混(hùn)🧡和成氣液(ye)兩相流送(song)入試驗管(guan)段。試驗裝(zhuāng)置如圖1所(suǒ)示。試驗裝(zhuāng)置由空氣(qi)壓縮機、儲(chu)氣罐、蓄水(shuǐ)罐、分離✔️罐(guàn)、流量計、壓(ya)力變送器(qì)、溫度變♍送(sòng)器、工控機(jī)和各種閥(fa)門組成。

    空(kong)氣壓縮機(jī)将空氣壓(ya)縮後送入(rù)儲氣罐，标(biao)準流量計(ji)1計量氣液(ye)混合前儲(chǔ)氣罐送入(rù)管道的氣(qì)體流量。蓄(xù)水罐距離(lí)地面30m，提供(gong)試驗所需(xu)的液相，其(qi)流量由标(biao)準流量計(ji)2測得。液相(xiàng)🈲和氣相👈經(jīng)混和器混(hun)和後送入(rù)試驗管段(duan)，zui後流入分(fen)離罐将水(shuǐ)和空氣進(jin)行分離，空(kōng)氣由放氣(qi)閥排出，水(shuǐ)由🥵水泵送(sòng)回蓄水罐(guàn)循環使✌️用(yong)。工控機對(duì)所有儀表(biǎo)數據進行(háng)采集和顯(xiǎn)示并對兩(liang)個電動調(diao)節閥🔴進行(háng)控🔴制，調節(jiē)氣相和液(yè)相的流量(liàng)🥵。

    試驗所用(yòng)的渦街流(liu)量計選擇(ze)了一台應(ying)用zui多的壓(yā)電🔴式渦街(jiē)流量傳感(gǎn)器，其口徑(jìng)的直徑D=50mm。将(jiāng)渦街傳感(gan)⭕器放置在(zai)水平直管(guǎn)㊙️段上，其上(shang)下遊直管(guǎn)段長度分(fèn)别爲30D和20D。壓(ya)力變送器(qì)和溫度變(biàn)送器分别(bié)放在渦街(jie)流量傳感(gǎn)器上遊1D和(he)🈲下遊10D的位(wei)置，混和器(qi)安裝在渦(wō)街流量計(ji)上遊30D的位(wei)置。

圖(tu)1 氣液兩相(xiang)流試驗裝(zhuāng)置

    1.2 試驗方(fāng)法    

    通過流(liu)量計2的測(ce)量和調節(jie)電動閥2，水(shui)的流量取(qǔ)6、8、10、12m³ /h四個流量(liàng)值。通過電(dian)動閥1控制(zhi)，流量計1顯(xian)示空氣注(zhu)🏒入量的範(fàn)圍☀️爲0.3～1.8m³ /h，其壓(ya)力範圍爲(wèi)0.4～0.5MPa。

    目前工業(ye)中應用的(de)渦街流量(liàng)計大部分(fen)是脈沖輸(shu)出，即将旋(xuan)渦信号轉(zhuǎn)化爲脈沖(chong)信号，通過(guo)對脈沖信(xin)✏️号計數計(ji)算出旋渦(wo)脫落🔞的頻(pín)率。脈沖輸(shū)出的渦街(jie)✊流量計📱主(zhǔ)要的缺點(diǎn)是易受噪(zào)聲幹擾🧡，對(duì)于小流量(liàng)來說由于(yu)信号微弱(ruò)💃🏻難以與噪(zao)聲區别。近(jìn)🚶幾年随着(zhe)✉️數字信号(hào)處理技術(shù)的發展，出(chu)現了以DSP爲(wei)核心，具有(you)譜分析功(gong)能💘的渦街(jie)流量計，這(zhè)種方法提(ti)高了⁉️對微(wei)弱渦街頻(pín)率信号的(de)識别[7-8]。考慮(lü)到這兩種(zhǒng)不同類型(xíng)🌍渦街流量(liàng)計在工業(ye)現場使用(yong)，試驗中同(tóng)🔴時用譜分(fen)析方法和(he)脈沖計數(shu)方法對渦(wo)街頻率進(jìn)行計🧑🏾‍🤝‍🧑🏼算，并(bing)對兩種方(fang)法進行了(le)比較。

    渦街(jiē)流量計的(de)轉換電路(lù)流程圖如(ru)圖2所示。以(yǐ)5000Hz的頻率對(dui)A點的模拟(ni)信号進行(hang)采樣，每次(cì)采樣10組數(shù)據，每組數(shu)據有5×10⁴ 個采(cai)樣點，将得(dé)到的采樣(yàng)點進行傅(fu)裏葉變換(huàn)得到不📧同(tong)測量點渦(wo)街産生的(de)頻率，同時(shí)通過脈沖(chòng)計數💁的方(fang)法對B點采(cǎi)🌈樣。

圖(tu)2 渦街流量(liang)計電路框(kuàng)圖

    2 渦街流(liú)量計的标(biāo)定

    将渦街(jiē)流量計在(zài)标準水裝(zhuang)置上，分别(bié)用頻譜分(fen)析和脈沖(chòng)計數的方(fāng)法進行标(biao)定，流體介(jie)質爲水未(wèi)加🏒氣體，采(cai)用的标準(zhun)傳感器爲(wei)精度等級(ji)爲0.2級的電(dian)磁流量計(jì)。在每個流(liú)量測量點(dian)上的儀表(biǎo)🔴系數用公(gong)式（1）計算，然(rán)後用式（2）計(jì)算🛀🏻得到zui終(zhong)儀表系數(shu)K。Q_l 爲被測水(shuǐ)的流量值(zhí)，f爲每一個(ge)流量點得(de)到的頻率(lǜ)，k爲每個測(cè)🐉量♈點得到(dao)的儀表系(xì)數。k_max 、k_min 分别爲(wei)試驗流量(liang)範圍内得(dé)到的zui大與(yu)zui小的儀表(biao)系🤟數。儀表(biao)🌏系數㊙️的線(xiàn)性度E₁ 用式(shi)（3）來計算。

    譜分析(xi)和脈沖計(jì)數兩種不(bú)同方法計(jì)算出的渦(wo)街流👄量計(jì)儀🙇‍♀️表系數(shù)分别爲：Ks=10107p/m³ ；Kc=10143p/m³ ；計(jì)算得到的(de)儀表系數(shu)線性度分(fen)别爲：1.2%和1.5%。圖(tú)3爲儀表系(xì)數随水流(liú)量值變化(hua)的曲線，可(kě)以看出，在(zai)試驗所‼️選(xuǎn)流量範🌏圍(wéi)内，儀表系(xi)數近似于(yu)一個常數(shù)，頻譜分析(xi)的結果與(yu)脈沖計數(shu)所得到的(de)試驗結果(guǒ)差别不大(da)，之間的誤(wu)差範圍爲(wèi)0.109%～0.688%。可見被測(ce)介質全部(bù)爲水時兩(liang)種測量方(fāng)法并沒有(you)明顯的區(qu)别。

圖(tú)3　渦街流量(liàng)計儀表系(xì)數

    3　渦街信(xìn)号分析

    試(shi)驗發現，氣(qì)相的加入(rù)對渦街流(liú)量計測量(liang)的影響🈲顯(xian)著，譜分析(xī)和脈沖計(ji)數兩種方(fang)法随着氣(qì)相注入的(de)增🈲加其表(biao)現也不同(tóng)。圖4反映了(le)水流量12m³ /h時(shi)，注入不同(tong)氣含率β時(shi)A點的模拟(nǐ)信号，如圖(tu)4（a～c）所示；經譜(pǔ)分析後得(de)到的頻率(lü)值，如圖4（d～f）所(suǒ)示；用脈沖(chòng)計數方法(fa)得♍到的脈(mo)沖信号，如(rú)圖🏃🏻4（g～i）所示。圖(tú)4顯示，當注(zhu)入氣量不(bu)大時，對渦(wo)街流量計(jì)的影響不(bú)大，無論是(shì)譜分析結(jie)果還是脈(mò)沖計數💚得(de)到的結果(guo)都比較好(hao)。當注入的(de)氣量進一(yi)步增加時(shí)，渦街原始(shi)信号強度(dù)和穩定性(xìng)逐漸變差(chà)，渦街頻率(lü)信号會被(bei)幹擾信号(hào)所淹沒🌈，反(fan)映到譜分(fen)析圖📐是，渦(wo)街頻率的(de)譜🏃‍♂️能量減(jiǎn)小，幹擾信(xin)号的譜能(neng)量加強✏️；對(duì)于脈沖信(xìn)号，會因爲(wèi)一些旋渦(wo)信号減⭐弱(ruo)，形成脈沖(chong)缺失現象(xiàng)，而不能真(zhen)實地反🔱映(yìng)渦街産生(sheng)的頻🛀率。

    表1反映(ying)了不同流(liú)量點Q_l 下，随(suí)着注氣量(liang)Qg的增加，渦(wo)街發生頻(pín)率fs和fc的變(biàn)化情況。結(jie)果顯示，對(dui)于不同的(de)水流量，當(dāng)注入的氣(qì)體流量增(zeng)加到一定(dìng)範圍時，不(bú)能再檢測(ce)到渦街信(xìn)号；在一定(ding)水流量下(xià)，随着注氣(qi)量的增加(jia)譜分析得(dé)到的頻率(lǜ)值會變大(dà)，這是由于(yú)總的體積(ji)流量增加(jiā)了，而✂️脈沖(chong)計數法✍️則(ze)由于産生(shēng)脈沖缺失(shī)現❌象所得(dé)到的頻率(lü)值減小⁉️。因(yīn)此在氣液(yè)兩相流下(xià)，譜分析比(bi)脈沖計數(shù)法有🧑🏾‍🤝‍🧑🏼優勢(shì)，它能在較(jiào)高的含氣(qì)量依然能(neng)檢測到旋(xuán)渦脫落的(de)頻率。

圖4 不同注(zhu)氣量時頻(pín)率信号圖(tú)

    4　渦街(jiē)流量計的(de)誤差分析(xi)

    将試驗數(shu)據進行處(chù)理，得到了(le)渦街流量(liang)計測量誤(wù)🏃‍♀️差随氣相(xiàng)含率變化(hua)的情況，如(ru)圖5所示。其(qi)中δs爲譜分(fèn)析方法的(de)測量誤差(cha)，δc爲脈沖計(jì)數方法的(de)測量誤差(cha)。渦街流🍉量(liang)計的測量(liang)誤差用式(shì)（4）來計算。其(qi)中Qs爲裝置(zhi)中标準表(biǎo)測量出的(de)🐉管道總流(liú)量，Qt爲試驗(yan)管段中渦(wō)街流量計(ji)的測量值(zhí)。将譜分析(xī)和脈沖計(jì)數得到的(de)♌頻率值和(hé)儀表系數(shu)分别代入(ru)式（5）計算Qt值(zhi)。從圖中可(kě)以看出氣(qi)相含率的(de)增加‼️兩種(zhǒng)測量方法(fǎ)得到的誤(wù)差并不相(xiang)同。當含氣(qì)🌏率不高時(shi)，0<β<6%，譜分析法(fa)👉的平均誤(wu)差爲1.226%，zui大誤(wu)差爲2.687%，脈沖(chong)計數法的(de)平均誤差(chà)爲1.583%，zui大🌍誤差(chà)🔞爲2.898%，因此譜(pǔ)分析法與(yu)脈沖計數(shu)法的測量(liàng)誤差區别(bié)✍️不大，譜分(fen)析沒有明(míng)顯的優勢(shi)；在氣相含(han)率進一步(bu)增加時，6%<β<14%，譜(pǔ)分析法的(de)平均誤差(cha)爲✏️3.975%，zui大誤差(cha)爲14.058%，脈沖計(ji)數法的平(ping)✨均誤差爲(wei)20.053%，zui大誤差爲(wei)33.130%，脈沖計🔴數(shù)的方法得(dé)到的測量(liàng)誤差遠大(da)于譜分析(xi)方法。

    含氣(qi)液體測量(liàng)誤差産生(sheng)的主要原(yuán)因是：在氣(qi)液兩相流(liú)動中，由于(yu)氣泡對旋(xuan)渦發生體(tǐ)的撞擊作(zuo)用，氣泡對(duì)邊界層和(hé)旋渦脫落(luò)的影響，以(yǐ)及旋渦吸(xī)入氣泡使(shǐ)其強度減(jiǎn)弱，使旋渦(wo)脈沖數缺(quē)失，缺失的(de)旋渦數不(bu)穩定🌈，使脈(mò)沖計🔆數方(fang)法測量的(de)誤差增大(da)，而譜㊙️分析(xī)的方法在(zài)一段時域(yu)内得到主(zhu)頻譜作爲(wei)渦街♍頻率(lü)值，減小了(le)旋渦缺失(shi)對測量的(de)影響。所以(yi)含氣液體(tǐ)流體計量(liàng)中譜分析(xī)方法要好(hǎo)🏃‍♂️于脈沖計(ji)數的方法(fa)。

圖5　不同氣(qi)相含率下(xia)渦街流量(liang)計的測量(liang)誤差

    5　結束(shù)語

    從試驗(yan)結果來看(kàn)，渦街流量(liang)計在測量(liang)混有少量(liang)氣體的液(ye)體流量時(shí)，測量誤差(chà)會顯著增(zeng)加。之所以(yi)會出現這(zhe)樣的情況(kuang)，一方面，氣(qì)體在液體(ti)中會形成(cheng)氣泡，在旋(xuan)渦發生體(ti)的後部形(xing)成氣團，并(bing)且旋渦中(zhōng)心會出現(xiàn)一個低壓(ya)區，吸入大(da)量質量較(jiào)輕的氣泡(pào)，從🐆而削弱(ruò)了旋📱渦的(de)能量，使壓(yā)電傳感器(qi)檢測不到(dao)旋渦，導緻(zhì)檢測✂️過程(cheng)中脈沖缺(quē)失😍現象出(chu)現；另一方(fang)面，由于旋(xuan)渦的能量(liàng)降低，會增(zēng)加流場♋本(běn)身對旋渦(wo)脫落的擾(rao)動，進一步(bù)增加了測(cè)量的誤差(cha)。其它方面(miàn)，旋渦發生(shēng)體後的氣(qi)團，旋渦中(zhōng)心區氣泡(pao)的含量、旋(xuán)渦外的氣(qì)泡量、氣泡(pào)的大小等(děng)等都會影(yǐng)響測量的(de)結果。

    通過(guo)上述的試(shì)驗結果及(ji)分析表明(ming)，單相液體(ti)中混入少(shǎo)量的氣體(tǐ)時會導緻(zhi)渦街旋渦(wō)強度變弱(ruo)和可靠性(xing)變差，在這(zhe)種條件下(xià)測量時譜(pu)分析的方(fāng)法在氣含(hán)率不大時(shí)（0<β<6%）與脈沖計(ji)數的方法(fǎ)差🌂别不大(da)，但随⭐着氣(qi)含率的進(jìn)一步增加(jia)（6%<β<14%），譜分析的(de)方法🔞要好(hǎo)于脈沖計(jì)數的方法(fa)。

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