當流體(ti)流過阻擋(dang)體時會在(zài)阻擋體的(de)兩側交替(tì)産生旋✔️渦(wō)，這種🧡現象(xiàng)稱爲卡門(mén)渦街。20世紀(ji)60年代日本(ben)橫河公司(sī)首先利用(yòng)卡🔞門渦街(jiē)現象研制(zhì)出渦街流(liu)量計，此後(hou)渦街流量(liang)計由于其(qi)諸多優點(dian)得以在工(gong)業領域廣(guǎng)泛👉應用[1]。      

    在(zài)單相流體(tǐ)介質條件(jiàn)下對渦街(jie)流量計的(de)研究相對(dui)比較成熟(shu)，研究者通(tong)過試驗的(de)方法得到(dào)了大量有(yǒu)價值的🌂試(shì)驗結果，并(bìng)應🔞用到渦(wo)街流量計(ji)的開發☁️中(zhōng)，使得渦街(jiē)流量計的(de)測量精度(du)、可靠性得(dé)到了很大(dà)的提高[2，3]。工(gong)業測量中(zhōng)經常會有(you)這樣的情(qing)況出現：液(ye)體管道中(zhōng)有時會混(hun)入少量的(de)氣體，被測(cè)流質變😍成(cheng)了氣液兩(liǎng)💚相📧流。由于(yú)氣液兩相(xiang)流的複雜(zá)性，研究這(zhè)種條件下(xià)渦街流量(liàng)計測量特(tè)性的文章(zhāng)不多。西安(ān)交通大學(xue)的李永🚶光(guāng)[4-6]曾經在氣(qì)液兩相流(liu)的豎直管(guǎn)道上，對不(bú)同形狀的(de)渦街發生(shēng)體進行了(le)研✔️究，對不(bú)同截面含(han)氣率🔴下渦(wō)街❤️的結構(gou)以及斯特(te)勞哈爾數(shù)的變化進(jìn)行了大量(liàng)的試驗研(yan)究，并給出(chu)了斯特勞(lao)哈爾數随(sui)截面含氣(qi)率而變化(hua)的公式。李(li)永光的工(gōng)作主要💁是(shì)從流體力(li)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(qí)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(guan)道中含有(yǒu)少量氣體(tǐ)的液體條(tiao)件下渦街(jie)流量計測(ce)量結果的(de)變化情況(kuàng)💯，并且測量(liang)結果分别(bie)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(zai)液含氣流(liú)體條件下(xia)譜分析要(yao)明顯優于(yú)脈沖計數(shù)的方式。

    1　試(shi)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(dìng)流量的水(shui)和空氣組(zǔ)成，分别送(song)入管道混(hùn)和成氣液(ye)兩相流送(sòng)入試驗管(guǎn)段。試驗裝(zhuāng)置如圖1所(suo)💃示。試驗裝(zhuāng)置由空氣(qì)壓縮機、儲(chǔ)氣罐、蓄水(shui)罐、分離罐(guan)、流量☎️計、壓(yā)力變送器(qi)📧、溫度變送(sòng)器、工控機(ji)和各種閥(fa)門組成。

    空(kōng)氣壓縮機(ji)将空氣壓(ya)縮後送入(rù)儲氣罐，标(biāo)準流量計(jì)1計量氣液(yè)混合前儲(chu)氣罐送入(ru)管道的氣(qi)體流量。蓄(xù)水罐距離(li)地面30m，提供(gòng)試驗所需(xū)的液相，其(qí)流量由标(biao)準流量計(ji)2測得。液相(xiang)和氣相經(jīng)混和器混(hùn)和後送入(ru)試驗管段(duàn)，zui後流入分(fen)離罐将水(shuǐ)和空氣進(jin)行分離✨，空(kong)氣由放氣(qi)閥排出，水(shuǐ)由水泵送(song)回蓄水罐(guan)循環使用(yong)。工控機對(dui)所有儀表(biǎo)數據進🔴行(háng)采集和顯(xiǎn)示并對兩(liang)個電動調(diào)節閥進行(háng)控制，調節(jie)氣相和液(ye)相的流❓量(liang)🈲。

    試驗所用(yòng)的渦街流(liu)量計選擇(ze)了一台應(yīng)用zui多的壓(yā)電式渦街(jiē)流㊙️量傳感(gan)器，其口徑(jing)的直徑D=50mm。将(jiang)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(yā)力變送器(qì)和溫度變(bian)送器分别(bié)放在渦街(jie)🔆流量傳感(gan)器上遊1D和(he)下遊10D的位(wèi)置，混和器(qi)安裝在渦(wo)街流量計(ji)上遊30D的位(wei)置。

圖(tú)1 氣液兩相(xiàng)流試驗裝(zhuāng)置

    1.2 試驗方(fang)法    

    通過流(liu)量計2的測(cè)量和調節(jiē)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(diàn)動閥1控制(zhi)，流量計1顯(xian)示空氣注(zhù)入量♈的範(fàn)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(liàng)計大部分(fèn)是脈沖輸(shū)出🐅，即将旋(xuán)渦信号轉(zhuan)化爲脈沖(chong)信号，通過(guo)對脈沖信(xìn)号計數計(jì)算出旋渦(wō)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(zao)聲幹擾，對(dui)于小流量(liàng)來說由于(yú)信号微弱(ruò)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(chū)現了以👈DSP爲(wèi)核心，具有(yǒu)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(pin)率信号的(de)識别[7-8]。考慮(lü)到這兩種(zhong)不同類型(xing)渦街流量(liàng)計在工業(ye)🐪現場使用(yòng)，試驗中同(tóng)時用譜分(fèn)析方法和(hé)脈沖計數(shù)方法對渦(wō)街頻率進(jìn)行計算，并(bing)對兩種方(fāng)法進行了(le)比較。

    渦街(jie)流量計的(de)轉換電路(lu)流程圖如(rú)圖2所示。以(yǐ)5000Hz的頻率對(dui)A點的模拟(ni)信号進行(háng)采樣，每次(cì)采樣10組數(shù)據，每組數(shù)據有5×10⁴ 個采(cǎi)樣點，将得(de)到的采樣(yang)點進行傅(fù)裏葉變換(huàn)得到不同(tóng)測🤞量點渦(wo)街産生的(de)頻率，同時(shi)通過脈沖(chòng)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(biao)定

    将渦街(jie)流量計在(zài)标準水裝(zhuāng)置上，分别(bie)用頻譜分(fen)析和脈沖(chòng)計數的方(fang)法進行标(biao)定，流體介(jie)質爲水未(wei)加🈚氣體，采(cai)用的标💯準(zhun)傳感器爲(wèi)精度等級(ji)爲0.2級的電(dian)磁流量計(ji)。在每個流(liu)量測量點(dian)上💞的儀表(biǎo)系數用公(gōng)式（1）計算，然(ran)後用式（2）計(jì)算得到zui終(zhōng)儀🌍表系數(shù)K。Q_l 爲被測水(shui)的流量值(zhi)，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(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(shu)分别爲：Ks=10107p/m³ ；Kc=10143p/m³ ；計(ji)算得到的(de)儀表系數(shu)線性度分(fèn)别爲：1.2%和1.5%。圖(tu)3爲儀表系(xi)數随水流(liú)量值變化(hua)的曲線，可(kě)以看出，在(zài)試驗所👉選(xuǎn)流量範圍(wei)内，儀表系(xi)數近似于(yú)一個常數(shu)，頻譜分析(xi)的結果與(yǔ)脈沖計數(shù)🌏所得到的(de)試驗結果(guo)差别不大(dà)，之間的誤(wù)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(yǒu)明顯的區(qū)别。

圖(tú)3　渦街流量(liàng)計儀表系(xi)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(xi)和脈沖計(jì)數兩種方(fāng)法随着氣(qi)相注入的(de)增加其表(biǎo)現也不🈚同(tong)。圖4反映了(le)水流量12m³ /h時(shí)，注入不同(tóng)氣含率β時(shí)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(lǜ)值，如圖4（d～f）所(suǒ)示；用脈沖(chòng)計數方法(fa)得到的脈(mò)沖⭐信号，如(ru)圖4（g～i）所示。圖(tú)4顯示，當注(zhù)入氣量不(bu)大時，對渦(wo)街流量計(ji)的影響不(bu)大，無論是(shì)譜分析結(jié)果還是脈(mò)沖計數得(de)到的結💜果(guǒ)都比較🏃🏻‍♂️好(hao)。當注入的(de)氣量進一(yi)步增加時(shi)，渦✂️街原始(shi)信号強度(du)和穩定性(xing)逐漸變差(cha)，渦街頻率(lü)信号會被(bei)幹擾信号(hào)所淹沒，反(fan)映到譜分(fèn)析圖是，渦(wo)街頻率的(de)譜能量減(jiǎn)小，幹擾信(xìn)号的譜能(néng)量加強；對(duì)于脈沖信(xin)号，會因爲(wèi)一些旋渦(wo)信号減弱(ruò)，形成脈沖(chong)缺失現象(xiang)，而不能真(zhēn)實👌地反映(yìng)渦街産生(shēng)的頻🤟率。

    表1反映(yìng)了不同流(liú)量點Q_l 下，随(sui)着注氣量(liàng)Qg的增加，渦(wo)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(dāng)注入的氣(qi)體流⭕量增(zēng)加到一定(ding)範圍時，不(bu)❗能再檢測(ce)到渦街信(xìn)号；在一定(dìng)水💁流量下(xia)，随着注氣(qi)量的增加(jiā)譜分析得(de)到的頻率(lü)值會變大(da)，這是由于(yú)總的體積(ji)流量增加(jia)了，而🍉脈沖(chòng)計數法則(zé)由于産生(sheng)脈沖缺失(shi)現象所得(dé)到的😘頻率(lü)值減小👄。因(yīn)此在氣液(yè)兩相👌流下(xia)，譜分析比(bi)脈沖計數(shu)法有優勢(shi)，它能在較(jiao)高的含氣(qì)☔量依然能(neng)檢測到旋(xuan)渦脫落的(de)頻率✂️。

圖4 不同注(zhù)氣量時頻(pín)率信号圖(tu)

    4　渦街(jie)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(wù)差随氣相(xiàng)含率變化(hua)的情況，如(rú)圖5所示。其(qi)中δs爲譜分(fen)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(shì)（4）來計算。其(qí)中Qs爲裝置(zhì)✉️中标準表(biǎo)測量出的(de)管道總流(liú)量，Qt爲試驗(yàn)管段中渦(wō)☂️街流量計(jì)的測量值(zhi)。将譜分析(xī)和脈沖計(jì)數得到的(de)🐉頻率值和(he)儀表系數(shu)分别代入(rù)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(fa)得到的誤(wu)差并不相(xiàng)同。當含氣(qì)率不高時(shi)，0<β<6%，譜分析法(fǎ)的平均誤(wu)差爲1.226%，zui大誤(wu)差爲2.687%，脈沖(chòng)計數法的(de)✏️平均誤差(chà)爲1.583%，zui大誤差(chà)爲2.898%，因此譜(pu)分析法與(yǔ)脈沖計數(shu)法的測量(liàng)誤差區别(bie)♈不大，譜分(fèn)析🚩沒有明(míng)顯的🐅優勢(shì)；在氣相含(hán)率進一步(bu)👨‍❤️‍👨增加🐇時，6%<β<14%，譜(pu)分析法的(de)平均誤差(cha)爲3.975%，zui大誤差(cha)爲14.058%，脈沖計(jì)數法的平(ping)均誤差爲(wèi)20.053%，zui大誤差爲(wei)33.130%，脈✉️沖計數(shu)的方法得(dé)🙇🏻到的測量(liàng)誤差遠大(dà)于譜分析(xī)方法。

    含氣(qì)液體測量(liàng)誤差産生(shēng)的主要原(yuán)因是：在氣(qi)液兩相流(liu)動中，由于(yu)氣泡對旋(xuán)渦發生體(ti)的撞擊作(zuo)用，氣泡對(duì)邊界層和(hé)旋渦脫落(luo)的影響，以(yǐ)及旋渦吸(xi)入氣泡使(shǐ)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(mò)沖計數方(fāng)法測量的(de)誤差增大(dà)，而譜分析(xī)的方法在(zai)一段時域(yù)㊙️内得到主(zhu)頻譜作爲(wèi)渦街⚽頻率(lü)值，減小了(le)🔞旋渦缺失(shī)對測量的(de)影響。所以(yǐ)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(qi)相含率下(xià)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(kan)，渦街流量(liàng)計在測量(liang)混有少量(liang)氣體的液(yè)體流量時(shi)，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(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(zhong)心會出現(xian)一個低壓(yā)區❓，吸入大(da)量質量較(jiao)輕的氣泡(pao)，從而削弱(ruo)了旋渦的(de)能量，使壓(ya)電傳感器(qì)檢測不到(dao)旋💚渦，導緻(zhì)檢測過程(chéng)中脈沖缺(que)失現象出(chu)現；另一方(fāng)面，由于旋(xuán)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(qì)團，旋👄渦中(zhong)心區氣泡(pao)的含量、旋(xuán)渦外的氣(qì)泡量、氣泡(pào)的大小等(deng)等都會影(yǐng)響測量的(de)結果。

    通過(guò)上述的試(shì)驗結果及(ji)分析表明(míng)，單相液體(tǐ)中混入少(shao)量的氣體(ti)時會導緻(zhi)渦街旋渦(wō)強度變弱(ruò)和可靠性(xing)變差，在這(zhe)♍種條件下(xià)💚測量時譜(pǔ)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(dà)，但随着氣(qì)含率的進(jin)一步增加(jiā)（6%<β<14%），譜分析的(de)方法要好(hao)于脈沖計(jì)數的方法(fǎ)。

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