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(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(jì)，此後😍渦街流量(liang)計由于其諸多(duo)優點得以在工(gong)業領域廣泛應(yīng)用[1]。      

    在單相流體(ti)介質條件下對(dui)渦街流量計的(de)研究相♊對⛱️比較(jiào)成熟，研究者通(tōng)過試驗的方法(fa)得到了大量🏒有(yǒu)價✍️值的試驗結(jié)果，并應😘用到渦(wo)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(ti)高[2，3]。工業測量中(zhong)經常會有這樣(yàng)的情況出現🚩：液(yè)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(liang)計測量特性的(de)文章不多。西安(an)交通大學的李(lǐ)永光[4-6]曾經在氣(qì)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(yan)究，并給出了斯(si)特🏒勞哈爾數随(sui)截面含氣率而(ér)變化的公式。李(lǐ)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(li)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(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(liang)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(qiě)測量結果分别(bie)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(tiao)件下譜分析要(yao)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(zhì)

    試驗介質由已(yi)測定流量的水(shuǐ)和空氣組成，分(fen)别送❤️入管道混(hùn)👌和成氣液兩相(xiàng)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(gong)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(qi)罐，标準流量計(ji)1計量氣液混合(he)前儲氣罐送入(rù)管道的氣體流(liú)量。蓄水罐距離(lí)地面30m，提供試驗(yàn)所需的液相，其(qi)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(ru)試驗管🥰段，zui後流(liú)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(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(ji)和顯示🔴并對兩(liǎng)個電動調節閥(fá)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(jì)選擇了一台應(yīng)用zui多的壓電式(shi)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(ping)🌈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(bié)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(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(shui)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(zhù)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(mò)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(mò)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(xiao)流量來說由于(yú)信号微弱難以(yi)與噪聲區别。近(jin)幾年随着🏃‍♂️數字(zi)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(zhe)💃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(zhǒng)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(wō)街頻率進行計(ji)算，并🏃‍♀️對兩種方(fang)法進行了比較(jiao)☂️。

    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(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(yang)點進行傅裏葉(yè)變換得到不同(tóng)測量點渦街産(chǎn)生的頻率，同時(shí)通過脈沖計數(shu)的方法對🔞B點采(cǎi)樣。

圖(tu)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(biao)定，流體介質爲(wèi)水未加氣體，采(cǎi)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(liú)量測🔴量點上的(de)儀表系數用公(gōng)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(zhí)，f爲每一個流量(liang)點得到的頻率(lǜ)，k爲每個測量點(dian)得到的儀表系(xì)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(xī)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(shu)分别爲：Ks=10107p/m³ ；Kc=10143p/m³ ；計算得(de)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(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(jie)果與脈沖計數(shù)所得到的試驗(yan)結果差别不大(da)，之間的‼️誤差範(fàn)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(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(yǐng)響顯著，譜分析(xi)和脈沖計數兩(liang)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(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(yòng)脈沖計數方法(fa)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(yǐng)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(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(hào)會被幹擾信号(hào)所⚽淹沒，反映到(dào)譜💚分析圖是，渦(wō)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(xìn)号，會因⭐爲一些(xie)旋渦信号減弱(ruò)，形成脈沖缺失(shī)現🔞象，而不能真(zhen)實地反映渦街(jie)産生的頻率。

    表1反映(ying)了不同流量點(dian)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(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(zēng)加到⛹🏻‍♀️一定💰範圍(wéi)🙇🏻時，不能再檢測(cè)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(dé)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(xiàng)💋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(jìn)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(qing)況，如圖5所示。其(qí)中δs爲譜分析方(fāng)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(shì)（4）來計算。其中Qs爲(wèi)裝置中标準表(biao)測量出的🐪管道(dao)總流量，Qt爲試驗(yan)管段中渦街流(liú)量計的測量值(zhí)。将譜分析和脈(mò)沖計數得到的(de)✨頻率值和儀表(biǎo)系數分别代入(ru)式（5）計算Qt值。從圖(tú)❄️中可以看出氣(qì)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(qì)率不高時，0<β<6%，譜分(fèn)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(pu)分析法與脈沖(chong)計數法的測量(liàng)🌈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(bu)🏃增加時，6%<β<14%，譜分析(xi)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(píng)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(fǎ)。

    含氣液體測量(liang)誤差産生的主(zhǔ)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(yi)及旋渦吸入氣(qi)🍉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(dìng)，使脈沖計🧑🏽‍🤝‍🧑🏻數方(fāng)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(zhu)頻譜作爲渦街(jie)⛷️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(xī)🌍方法要好于脈(mò)沖計數的方法(fǎ)。

圖5　不同氣(qi)相含率下渦街(jiē)流量計的測量(liang)誤差

    5　結束語

    從(cóng)試驗結果來看(kan)，渦街流量計在(zai)測量混有少量(liàng)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(tǐ)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(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(qì)檢測不到旋渦(wo)，導緻檢測過🍓程(cheng)中脈沖缺失現(xiàn)象出現；另一方(fang)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(rao)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(qi)團，旋渦中心區(qū)氣泡的含量、旋(xuán)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(guò)上述的試驗結(jie)果及分析表明(míng)，單相液體中混(hun)入🚩少量的氣體(ti)時會導緻渦街(jie)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(sui)着氣含率的進(jìn)一步增加（6%<β<14%），譜分(fen)析的方法要好(hao)于脈沖計數的(de)方法。

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