當(dang)流體流過阻擋(dǎng)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(men)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(zhì)出渦街流量計(jì)，此後渦街流量(liàng)計由✔️于其諸多(duo)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(jiao)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(kāi)發中，使得渦街(jie)流量計的測量(liang)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(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(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(shu)直管道上，對不(bu)同形狀的渦街(jie)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(jí)斯🧑🏽‍🤝‍🧑🏻特勞哈爾數(shù)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(lì)學的角度對氣(qì)液兩相流中渦(wō)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(mian)含氣率💛的測量(liàng)[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(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(bie)用譜分析和脈(mo)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(yào)明顯優于脈沖(chòng)計數的方式。

    1　試(shi)驗裝置與試驗(yan)方法

    1.1　試驗裝置(zhi)

    試驗介質由已(yi)測定流量的水(shui)和空氣組成，分(fen)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(rú)圖1所示。試驗裝(zhuāng)置由空氣壓縮(suō)機、儲氣罐、蓄水(shuǐ)☀️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(fá)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(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(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(he)器混和後送🈚入(ru)試驗管段，zui後流(liu)入分離罐将水(shui)和空氣進行分(fèn)離，空氣由放氣(qì)閥排出，水由水(shuǐ)泵送回蓄🐆水罐(guan)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(fa)進行控制，調節(jie)氣相和液相的(de)流量。

    試驗所用(yòng)的渦街流量計(ji)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(zhí)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(ya)力變❄️送器和溫(wen)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(hùn)和器安裝在渦(wo)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(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(dian)動閥1控制，流量(liang)計1顯示空氣注(zhù)入量的範圍爲(wei)0.3～1.8m³ /h，其壓力範圍爲(wei)0.4～0.5MPa。

    目前工業中應(yīng)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(jì)數計👨‍❤️‍👨算出旋渦(wo)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(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(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(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(chòng)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(cheng)圖如圖2所示。以(yǐ)5000Hz的頻率對A點的(de)模拟信号進行(hang)采樣，每次采樣(yàng)10組數據，每組數(shù)據有5×10⁴ 個采樣點(dian)，将得到的采樣(yang)點進行傅裏葉(ye)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(cai)樣。

圖(tú)2 渦街流量計電(dian)路框圖

    2 渦街流(liú)量計的标定

    将(jiāng)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(shu)的方法進行标(biao)定，流體介質爲(wèi)水未加氣體，采(cai)用的标準傳感(gan)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(zhong)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(lǜ)，k爲每個測量🌈點(dian)得到的儀表系(xi)數。k_max 、k_min 分别爲試驗(yan)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(du)E₁ 用式（3）來計算。

    譜分析(xi)和脈沖計數兩(liang)種不同方法計(jì)算出的渦街流(liú)量計儀表🙇🏻系數(shù)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(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(ke)以看出，在試驗(yan)所選流量範👌圍(wei)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(yan)結果差别不大(dà)，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(fāng)☂️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(shì)驗發現，氣相的(de)加入對渦街流(liú)量計測量的影(ying)響顯著，譜分🔱析(xī)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(liú)量12m³ /h時，注入不同(tóng)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(fǎ)得到的脈沖信(xin)号⭕，如圖4（g～i）所示。圖(tu)4顯示，當注入氣(qì)量不大時，對渦(wō)街流量計的影(ying)響不大，無論是(shì)譜分析結果還(hai)是⭐脈沖計數得(dé)到的結果都比(bǐ)較👣好。當注入⚽的(de)氣量進一步增(zēng)加時，渦街原始(shi)信号⛷️強度和穩(wěn)定性逐漸變差(chà)，渦街頻率信号(hào)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(xin)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(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(liàng)Qg的增加，渦街發(fa)生頻率fs和fc的變(biàn)化情🈲況。結果顯(xian)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(wéi)時，不能再檢測(ce)到渦街信号；在(zài)一定水流量下(xia)，随着注氣量的(de)😄增加譜分析得(de)到的頻率值會(hui)變大，這是由于(yu)總的體積流量(liang)增加了，而脈沖(chong)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(yin)此在氣液兩相(xiang)流下，譜分析比(bǐ)脈沖計數法有(yǒu)優勢，它🐉能在較(jiào)高的含氣🧑🏾‍🤝‍🧑🏼量依(yī)然能檢測到旋(xuán)渦脫落的頻率(lǜ)🈲。

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(jin)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(qi)中δs爲譜分析方(fang)法的測量👣誤差(cha)，δc爲脈沖計數方(fāng)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(wèi)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(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(biao)系數分别代入(ru)式（5）計算Qt值。從圖(tu)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(fèn)析🌂法的平均誤(wù)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(da)誤差爲2.898%，因此譜(pu)分析法與脈沖(chòng)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(qì)相含率進一步(bù)增加時，6%<β<14%，譜分析(xi)法的平均誤差(chà)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(wù)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(fǎ)。

    含氣液體測量(liang)誤差産生的主(zhu)要原因是：在氣(qi)液兩相🤩流動中(zhōng)，由💚于氣泡對旋(xuan)渦發生體的撞(zhuang)擊作用，氣泡對(duì)✍️邊界層和旋渦(wō)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(chòng)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(chà)增大，而譜分析(xi)的方法在一段(duan)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(ce)量的影響。所以(yǐ)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(fǎ)。

圖5　不同氣(qì)相含率下渦街(jie)流量計的測量(liàng)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(liú)量時，測量誤差(chà)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(pao)，在旋渦發生體(ti)的後部形成氣(qì)團，并🏃🏻且旋渦中(zhōng)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(ruò)了旋渦的能量(liang)，使壓電傳感器(qi)檢測不到旋渦(wo)，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(zēng)加流場本身對(dui)旋渦脫落的擾(rǎo)動，進一步增加(jiā)了測量的誤差(cha)。其🔴它方面，旋渦(wo)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(liàng)、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(hùn)入少量的氣體(tǐ)時會導緻渦街(jiē)旋渦強度變弱(ruo)和可靠性變差(cha)，在這💘種條件下(xià)測量時譜分析(xī)的方法在氣含(hán)率不大時（0<β<6%）與脈(mo)沖計數的☔方法(fǎ)差别不大，但随(suí)着氣含率的進(jin)一步增加（6%<β<14%），譜分(fèn)💞析的方法要好(hao)于脈🧡沖計數的(de)方法。

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