當流體(tǐ)流過阻擋(dǎng)體時會在(zai)阻擋體的(de)兩側交替(tì)産生旋♉渦(wo)，這種🌂現象(xiàng)稱爲卡門(men)渦街。20世紀(ji)60年代日本(běn)橫河公司(sī)首先利🏃🏻‍♂️用(yong)卡門渦街(jiē)現象研制(zhi)出渦街流(liú)量計，此後(hou)渦街流量(liang)計由于其(qi)諸多優點(diǎn)得以在工(gōng)業🌏領域廣(guang)泛🏃‍♀️應用[1]。      

    在(zai)單相流體(tǐ)介質條件(jiàn)下對渦街(jiē)流量計的(de)研究相🌈對(duì)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(wō)街流量計(ji)的開發中(zhōng)，使得渦街(jie)流量計的(de)測量精度(du)、可靠性得(de)到了很大(dà)的提高[2，3]。工(gōng)業測量中(zhong)經常會有(you)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(chéng)了氣液兩(liang)❌相流。由于(yú)氣液兩相(xiang)流的複雜(za)性，研究這(zhè)種條件下(xia)渦街流量(liàng)計測量特(te)性的文章(zhāng)不多。西安(ān)交通大學(xué)的李永光(guāng)[4-6]曾經在氣(qi)液兩相流(liú)的豎直管(guan)道上，對不(bu)同形狀的(de)渦街發生(shēng)體進行了(le)研究，對☀️不(bú)同截面含(hán)氣率下渦(wō)街的結構(gòu)以及斯特(tè)勞哈爾數(shù)的變化進(jìn)行了大量(liang)的試驗研(yán)究，并給出(chū)了斯特勞(lao)哈🌏爾數随(suí)截面含氣(qì)率而變化(hua)⁉️的公式。李(li)永光的工(gōng)作主要是(shi)從流體力(lì)學的角度(du)對氣液兩(liang)相流中渦(wo)街現象的(de)機理進行(háng)了研究，其(qi)給💋出的試(shi)驗結果🔞涉(shè)及到截面(mian)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(guan)道中含有(you)少量氣體(tǐ)的液體條(tiao)件下渦街(jie)流量計測(cè)量🍓結果的(de)變化情況(kuàng)，并且測量(liang)結果分别(bié)用譜分析(xī)和脈沖計(ji)數兩種測(ce)量方式得(de)到，通過比(bi)較發現在(zài)液含氣流(liú)體條件下(xia)譜分析要(yào)明顯優于(yú)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(zhi)

    試驗介質(zhì)由已測定(dìng)流量的水(shui)和空氣組(zǔ)成，分别送(sòng)❄️入🔴管道混(hùn)和成氣液(yè)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(zhuang)置由💁空氣(qì)壓縮機、儲(chǔ)氣罐、蓄水(shui)罐、分離罐(guàn)、流量👄計、壓(ya)力變送器(qi)、溫度變❗送(song)器、工控機(jī)📧和各種閥(fá)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(yè)混合前儲(chǔ)氣罐送入(rù)管道的氣(qi)體流量🐉。蓄(xu)水罐距🏒離(li)地面30m，提供(gòng)試驗所需(xu)的液相，其(qi)流量由标(biao)準流✌️量計(jì)2測得。液相(xiàng)🌂和氣相經(jing)混和器混(hun)和後送入(ru)試驗管🚶段(duan)，zui後流入分(fèn)離罐将水(shuǐ)和空氣進(jin)行分離👉，空(kōng)氣由放氣(qì)閥排出，水(shuǐ)由水泵送(sòng)回蓄水罐(guan)循環使用(yong)。工控機對(dui)👅所有儀表(biao)數據進㊙️行(háng)采集和顯(xian)示并對兩(liang)個電動調(diào)節閥進行(háng)控制，調節(jiē)氣相和液(ye)相的流量(liàng)。

    試驗所用(yong)的渦街流(liu)量計選擇(zé)了一台應(ying)用zui多的壓(yā)電式渦街(jie)流量傳感(gan)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(shàng)下遊直管(guǎn)段長度分(fèn)别爲30D和20D。壓(ya)力變送器(qi)和溫度變(bian)送器分别(bie)放在渦街(jiē)流量傳感(gǎn)🤞器上遊1D和(he)下遊10D的位(wei)置，混和器(qì)安裝在渦(wō)街流量計(ji)上遊30D的位(wèi)置。

圖(tu)1 氣液兩相(xiàng)流試驗裝(zhuāng)置

    1.2 試驗方(fāng)法    

    通過流(liú)量計2的測(ce)量和調節(jie)電動閥2，水(shui)的流量取(qu)6、8、10、12m³ /h四個流量(liàng)值。通過電(diàn)動閥1控制(zhì)，流量計1顯(xian)示空氣注(zhù)入📧量的範(fan)圍爲0.3～1.8m³ /h，其壓(yā)力範圍爲(wèi)0.4～0.5MPa。

    目前工業(ye)中應用的(de)渦街流量(liang)計大部分(fen)是脈沖輸(shū)出，即🐕将旋(xuan)渦信号轉(zhuan)化爲脈沖(chòng)信号，通過(guo)對脈沖信(xin)号計數計(ji)算出⛹🏻‍♀️旋渦(wō)脫落的頻(pín)率。脈沖輸(shū)出的渦街(jiē)流量計主(zhu)要的缺點(dian)是易受噪(zao)聲幹擾，對(duì)于小流量(liàng)來說由于(yú)信号微弱(ruo)難以與噪(zào)聲區别。近(jin)幾年随着(zhe)數字信号(hào)處理技術(shu)的發展，出(chu)現了以DSP爲(wèi)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(wēi)弱渦街頻(pín)率信号的(de)識别[7-8]。考慮(lǜ)到這⛹🏻‍♀️兩種(zhong)不同類型(xíng)渦街流量(liàng)計在工業(yè)現場使用(yòng)，試驗中同(tong)時用譜分(fen)析方法和(hé)脈沖計數(shu)方法對渦(wo)街頻率進(jin)行計算，并(bìng)對兩種方(fāng)法進行了(le)比較。

    渦街(jie)流量計的(de)轉換電路(lù)流程圖如(rú)圖2所示。以(yi)5000Hz的頻率對(duì)A點的模💰拟(ni)信号進行(háng)采樣，每次(ci)采樣10組數(shu)據，每組數(shu)🌈據有5×10⁴ 個采(cǎi)樣點，将得(dé)到的采樣(yang)點進行傅(fù)裏葉變換(huàn)得到不同(tóng)測量點渦(wō)街産生的(de)頻率，同時(shi)通過脈沖(chong)計數的方(fang)法對B點采(cai)樣。

圖(tu)2 渦街流量(liàng)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(zai)标準水裝(zhuāng)置上，分别(bié)用頻譜分(fen)析和脈沖(chong)計數的方(fang)法進行标(biāo)定，流體介(jiè)質爲水未(wèi)加氣體，采(cai)用的标準(zhǔn)傳感器爲(wèi)精度等級(jí)爲0.2級的電(dian)磁流量計(jì)。在每個流(liu)量測量點(diǎn)上的儀表(biao)系數用公(gong)式（1）計算，然(rán)後用式（2）計(ji)算得到zui終(zhōng)儀♍表系數(shu)K。Q_l 爲被測水(shuǐ)的流量值(zhi)，f爲每一個(ge)流量點得(de)到的頻率(lü)，k爲每個測(ce)量點得到(dào)的儀表系(xi)數。k_max 、k_min 分别爲(wèi)試驗流量(liang)範圍内得(de)到的zui大與(yǔ)zui小的儀表(biao)系數。儀表(biao)系數🐪的線(xiàn)性度E₁ 用式(shì)（3）來計算。

    譜分析(xi)和脈沖計(ji)數兩種不(bu)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(fèn)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(ke)以看出，在(zai)試驗所選(xuǎn)流量範圍(wei)内，儀表系(xì)數近似于(yu)一個常數(shu)，頻譜分析(xī)的結果與(yu)脈沖計數(shu)所得到的(de)試驗結果(guo)差别不🧑🏽‍🤝‍🧑🏻大(da)，之間的誤(wu)差範圍爲(wei)0.109%～0.688%。可見被測(cè)介質全部(bu)爲水時🤟兩(liang)種測量方(fang)法并沒有(you)明顯的區(qu)别。

圖(tu)3　渦街流量(liang)計儀表系(xì)數

    3　渦街信(xin)号分析

    試(shi)驗發現，氣(qi)相的加入(ru)對渦街流(liú)量計測量(liàng)的影響顯(xiǎn)著，譜♻️分析(xi)📐和脈沖計(jì)數兩種方(fang)法随着氣(qi)相注入的(de)增加其表(biao)現也不💛同(tong)。圖🥵4反映了(le)水流量12m³ /h時(shi)，注入不同(tóng)氣含率β時(shi)A點的模拟(nǐ)信号，如圖(tu)4（a～c）所示；經譜(pu)分析後得(de)到的頻率(lü)值，如圖4（d～f）所(suǒ)示；用脈沖(chong)計數方法(fǎ)得到的脈(mo)沖信号，如(ru)圖4（g～i）所示。圖(tu)4顯示，當注(zhu)入氣量不(bu)大時，對渦(wo)街流量計(ji)的影響不(bú)大，無論是(shi)譜分析結(jié)果還是脈(mo)沖計數得(de)到的結果(guǒ)都比較好(hǎo)。當注入的(de)氣量進一(yi)步增加時(shi)，渦街原始(shi)信号強度(dù)和穩定♻️性(xìng)逐漸變差(cha)，渦街頻率(lǜ)信号會被(bèi)幹擾信号(hào)所⛷️淹沒，反(fan)映到譜分(fen)析圖是，渦(wō)街頻率的(de)譜🚶能量減(jian)小，幹擾信(xin)号的譜能(neng)量加強🚩；對(dui)于脈沖信(xin)号，會因爲(wei)一些旋渦(wo)信号減🌈弱(ruo)，形成脈沖(chòng)缺失現👉象(xiàng)，而不能真(zhen)實地反映(ying)渦街産生(shēng)的頻率。

    表1反映(ying)了不同流(liu)量點Q_l 下，随(sui)着注氣量(liang)Qg的增加，渦(wō)街發生頻(pin)率fs和fc的變(bian)化情🏃🏻況。結(jie)果顯示，對(dui)于不同的(de)水流量，當(dang)注入的氣(qi)體流量增(zeng)加到一定(ding)範圍時，不(bú)🐪能再檢測(cè)到渦街信(xìn)号；在一定(ding)水流量下(xià)，随着注💜氣(qì)量的增加(jia)譜分析得(de)到的㊙️頻率(lü)值會變大(dà)，這是由于(yú)總的體積(jī)流量增加(jia)了，而脈沖(chong)計數法則(ze)由于産生(sheng)脈沖缺失(shī)現象所得(dé)到的頻率(lǜ)值減小。因(yīn)此在氣液(ye)兩相流下(xia)，譜分析比(bi)脈沖🔴計數(shu)法有優勢(shi)，它能在較(jiào)高的含氣(qi)量依然能(néng)檢測💯到旋(xuan)渦脫落的(de)頻率🔱。

圖4 不同注(zhu)氣量時頻(pin)率信号圖(tú)

    4　渦街(jiē)流量計的(de)誤差分析(xī)

    将試驗數(shù)據進行處(chù)理，得到了(le)渦街流量(liàng)計測量誤(wu)差随氣相(xiàng)含率變化(hua)的情況，如(rú)圖5所示。其(qí)中δs爲譜分(fèn)析方法的(de)測量誤差(chà)，δc爲脈沖計(ji)數方法的(de)測量誤差(chà)。渦街流量(liang)計的測量(liàng)誤差用式(shi)（4）來計算。其(qi)中Qs爲裝置(zhì)中标準表(biǎo)測量出的(de)管道總流(liu)量，Qt爲試驗(yan)管段中渦(wo)街流量計(ji)的測量值(zhí)。将譜分析(xi)和脈沖計(ji)數得到的(de)頻率值和(hé)儀表系數(shù)分别代入(ru)🚶‍♀️式（5）計算Qt值(zhí)。從圖中可(ke)以看出氣(qì)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(qi)㊙️率不高時(shí)，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(liang)誤差區别(bié)不大，譜分(fen)析沒有明(ming)顯的優勢(shì)；在氣相含(han)率進一步(bù)🔴增加時，6%<β<14%，譜(pǔ)分析法的(de)平均誤差(chà)🛀🏻爲3.975%，zui大誤差(chà)爲14.058%，脈沖計(jì)💃🏻數法的平(píng)♊均誤差爲(wei)20.053%，zui大誤差爲(wei)33.130%，脈沖計數(shu)的方法得(de)到的測量(liàng)誤差🌈遠大(da)于譜分析(xi)方法。

    含氣(qi)液體測量(liang)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(ti)的撞擊作(zuo)用，氣泡對(duì)邊界層和(he)旋渦脫落(luò)的影響，以(yǐ)及旋渦吸(xi)入氣📐泡使(shi)其強度減(jiǎn)弱，使旋渦(wō)脈沖數缺(quē)失，缺失的(de)旋渦數不(bú)穩定，使脈(mo)沖計數方(fāng)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(shī)對測量的(de)影響。所以(yi)含氣液體(tǐ)流體計量(liang)中㊙️譜分析(xi)♌方法要好(hǎo)于脈沖計(ji)數的方法(fǎ)。

圖5　不同氣(qì)相含率下(xià)渦街流量(liàng)計的測量(liang)誤差

    5　結束(shu)語

    從試驗(yan)結果來看(kàn)，渦街流量(liàng)計在測量(liàng)混有少量(liàng)氣🚶體的㊙️液(ye)體流量時(shí)，測量誤差(cha)會顯著增(zēng)加。之所以(yi)會㊙️出現㊙️這(zhè)樣的情💜況(kuang)，一方面，氣(qi)體在液體(tǐ)中會形成(cheng)氣泡，在旋(xuan)渦發生體(ti)的後部形(xing)成🆚氣團，并(bìng)且旋渦中(zhōng)心會出現(xiàn)一💞個低壓(ya)區，吸入大(dà)量質量較(jiao)輕的氣泡(pao)，從而削弱(ruò)了旋渦的(de)能量，使壓(ya)電傳感器(qi)檢測不到(dao)旋✨渦，導緻(zhì)檢測過程(chéng)中脈沖缺(quē)失現象出(chū)現；另一方(fang)面🛀🏻，由于旋(xuan)渦💁的能量(liang)降低，會增(zēng)加流場本(ben)身對旋渦(wō)脫落的擾(rǎo)動，進一步(bù)增加了測(ce)量的誤差(cha)。其它方面(miàn)，旋渦發生(shēng)體📞後的氣(qì)團，旋渦中(zhong)心區氣泡(pào)的含量、旋(xuán)渦⭐外的氣(qi)泡量、氣泡(pao)的大小等(deng)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(míng)，單相液體(tǐ)中混入📞少(shǎo)量的氣體(ti)時會導緻(zhì)渦街旋渦(wō)強度變弱(ruò)和可✂️靠性(xìng)變差，在這(zhe)種條件下(xia)測量時譜(pǔ)分析的方(fang)法在氣含(hán)率♋不大時(shi)（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(hao)于脈沖計(ji)數的方法(fǎ)。

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