當流體(tǐ)流過阻擋(dang)體時會在(zài)阻擋體的(de)兩側交替(ti)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(ben)橫河公司(si)首📐先利用(yòng)卡門渦街(jie)現象研制(zhì)出渦街流(liú)量計，此後(hou)渦街流量(liàng)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(zai)單相流體(tǐ)介質條件(jian)下對渦街(jie)流量計的(de)研究相對(duì)比較🏃成熟(shú)❄️，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(wō)街流量計(jì)的開發‼️中(zhōng)，使得渦街(jiē)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(zhong)經常會有(yǒu)這樣的情(qíng)況出現：液(yè)體管道中(zhong)有時會混(hùn)入少量的(de)氣體♈，被測(cè)流質變成(cheng)了氣液兩(liǎng)相流。由于(yu)氣液兩相(xiang)流的複雜(zá)性，研究這(zhè)種條件下(xia)渦街流量(liang)計測量特(te)性的文章(zhang)不多。西安(an)交通大學(xué)的李永🧑🏽‍🤝‍🧑🏻光(guang)[4-6]曾經在氣(qì)液兩📞相流(liu)的豎直管(guǎn)道上，對不(bu)同形狀的(de)渦街發生(shēng)體進行了(le)研究，對不(bu)同截面含(hán)氣率下渦(wō)街的結構(gòu)以及斯特(te)勞哈爾數(shu)的變化進(jìn)行了大量(liang)的💃試🌐驗研(yan)究，并給出(chū)了斯特🐉勞(lao)哈爾數随(suí)截面含氣(qì)率🧡而變化(huà)的公式。李(lǐ)永光的工(gōng)作主要💞是(shi)從流體力(lì)學的角度(du)對氣液兩(liǎng)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(she)及到截面(miàn)含氣率的(de)測量[4]。本文(wén)通過試驗(yàn)從測量的(de)角度，研究(jiu)了水平管(guǎn)道中含有(yǒu)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(kuang)，并且測量(liang)結果分别(bié)用譜分析(xī)和脈沖計(jì)數兩種測(ce)量方式得(dé)到，通過🌈比(bi)較發現在(zài)液含氣流(liu)體條件下(xia)譜分析⚽要(yào)明顯優于(yu)脈沖計數(shu)的方式。

    1　試(shì)驗裝置與(yǔ)試驗方法(fa)

    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(zu)成，分别送(song)入管♋道混(hùn)🍉和成氣液(ye)兩相流送(song)入試驗管(guan)段。試驗裝(zhuang)💋置如圖1所(suo)示。試驗裝(zhuāng)置由空氣(qì)壓縮機、儲(chu)氣罐、蓄水(shui)罐、分離🔆罐(guàn)、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(jī)将空氣壓(yā)縮後送入(rù)儲氣罐，标(biāo)準流量計(jì)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(xū)的液相，其(qí)流量由💋标(biāo)準流量計(jì)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(duàn)，zui後流入分(fèn)離罐将水(shui)和空氣進(jìn)行分離💯，空(kong)氣由放氣(qì)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(hang)采集和顯(xian)示💔并對☁️兩(liang)個電動調(diào)節閥進行(hang)控制，調節(jie)氣相和液(ye)相的流🌈量(liang)。

    試驗所用(yong)的渦街流(liu)量計選擇(zé)了一台應(yīng)用zui多的壓(ya)♍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(gǎn)🔅器放置在(zai)水平直管(guǎn)段上，其上(shàng)下遊直管(guǎn)段長度分(fen)别爲30D和20D。壓(yā)力變送器(qi)和溫度變(biàn)送器分别(bie)放在渦街(jiē)流量傳感(gan)器上遊1D和(hé)下遊10D的位(wei)置，混和器(qi)安裝在渦(wō)🙇🏻街流量計(jì)上🛀🏻遊30D的位(wei)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(liu)量計2的測(ce)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(zhì)，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(yè)中應用的(de)渦街流量(liàng)計大部分(fèn)是脈沖輸(shu)出，即将㊙️旋(xuán)渦信号轉(zhuan)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(pin)率。脈沖輸(shū)出的渦街(jiē)流量計主(zhǔ)要的缺點(dian)是✏️易受噪(zao)🐕聲幹擾，對(duì)于小流量(liang)來說由于(yu)信号微弱(ruo)難以與噪(zào)聲區别。近(jìn)幾年随着(zhe)數字信号(hao)處理技術(shu)的發💁展，出(chu)現了以DSP爲(wèi)核心，具有(yǒu)譜分析功(gong)能的渦街(jiē)流量計，這(zhe)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(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(jie)流量計的(de)轉換電路(lù)流程圖如(rú)圖2所示。以(yǐ)5000Hz的頻率對(duì)A點😄的模拟(nǐ)信号進行(háng)采樣，每次(cì)采樣10組數(shu)據，每組數(shù)據有5×10⁴ 個采(cai)樣點，将得(dé)到的采樣(yàng)點進行傅(fù)裏葉變換(huan)得到不同(tóng)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(cai)樣。

圖(tu)2 渦街流量(liang)計電路框(kuàng)圖

    2 渦街流(liu)量計的标(biāo)定

    将渦街(jiē)流量計在(zài)标準水裝(zhuāng)置上，分别(bie)用頻譜分(fèn)析和脈沖(chong)計數的方(fang)法進行标(biāo)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(diàn)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(ran)後用式（2）計(jì)算得到zui終(zhong)儀表系數(shù)K。Q_l 爲被測水(shui)的流量值(zhi)，f爲每一個(gè)流量點得(dé)到的頻率(lü)，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(liàng)範圍内得(de)到的zui大與(yu)zui小的儀表(biǎo)系數。儀表(biao)🛀🏻系數的線(xiàn)性度E₁ 用式(shi)（3）來計算。

    譜分析(xī)和脈沖計(ji)數兩種不(bu)同方法計(jì)算出的渦(wō)街流量計(jì)🐪儀表系數(shu)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(tu)3爲儀表系(xi)數随水流(liú)量值變化(huà)的曲線，可(ke)以看出，在(zài)試驗所選(xuan)流🏃🏻量範圍(wei)内‼️，儀表系(xì)數近似于(yu)一個常數(shu)，頻譜分👉析(xi)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(wèi)0.109%～0.688%。可見被⁉️測(ce)介質全部(bù)爲水時🌍兩(liǎng)種測量方(fang)✂️法并沒有(yǒu)明顯的區(qu)别。

圖(tu)3　渦街流量(liang)計儀表系(xi)數

    3　渦街信(xin)号分析

    試(shì)驗發現，氣(qì)相的加入(rù)對渦街流(liú)量計測量(liang)的影響顯(xiǎn)♋著，譜🔴分析(xi)和脈沖計(ji)數兩種方(fāng)法随着氣(qi)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(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(dé)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(mò)沖信号，如(ru)圖4（g～i）所示。圖(tu)4顯示，當注(zhu)入氣量✊不(bú)大時，對渦(wo)街流量計(ji)的影響不(bu)大，無論是(shì)譜分析結(jie)果還是脈(mò)沖計數得(dé)到的結果(guo)都比較好(hao)。當注入🆚的(de)氣量進一(yī)☀️步增加時(shí)，渦街原始(shi)信号強度(dù)和穩定📐性(xing)逐漸變差(chà)，渦街頻率(lü)信号會被(bèi)幹擾信号(hao)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(neng)量加強💯；對(dui)于脈沖信(xìn)号，會🍉因🏃🏻爲(wèi)一些旋👉渦(wo)信号減弱(ruò)，形成脈沖(chòng)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(ying)了不同流(liu)量點Q_l 下，随(suí)着注氣量(liàng)Qg的增加，渦(wō)街發生頻(pin)率fs和fc的變(biàn)化情😘況。結(jie)果顯示，對(duì)于不同的(de)水流量，當(dāng)注入的氣(qi)體流量增(zeng)🈲加到一定(ding)範圍時，不(bu)能再檢測(cè)到渦街信(xìn)号；在一定(dìng)水流量下(xià)，随着注😍氣(qì)量的增加(jiā)譜分析得(de)到的頻率(lǜ)值會變大(da)，這是由于(yu)總的體積(ji)流量增加(jia)了，而脈沖(chòng)計數法則(ze)由于産生(sheng)脈沖缺失(shī)現🈲象所得(de)到的🧑🏽‍🤝‍🧑🏻頻率(lü)值減小。因(yīn)此在氣液(yè)兩相流下(xia)，譜分析比(bǐ)脈沖計數(shu)法有優勢(shì)，它能在較(jiào)高的含氣(qi)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(pin)率信号圖(tu)

    4　渦街(jie)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(wu)差随📱氣🏃🏻‍♂️相(xiang)💔含率變化(hua)的情況，如(rú)圖5所示。其(qí)中δs爲譜分(fen)析方法的(de)測量誤差(chà)，δc爲脈沖計(jì)數方法的(de)測量誤差(chà)。渦街流量(liàng)計的測量(liang)誤👅差用式(shi)（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(yàn)管段中渦(wo)街流量計(ji)的測量值(zhí)。将譜分析(xī)和脈沖計(ji)數得到的(de)頻率值和(hé)儀表系數(shu)分别代入(rù)式（5）計算Qt值(zhi)。從圖中可(ke)以看出氣(qì)相含率的(de)增加兩種(zhǒng)測量方法(fa)得到的誤(wu)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(cha)爲1.583%，zui大✨誤差(chà)🎯爲2.898%，因此譜(pǔ)分析法🛀與(yu)脈沖⭕計數(shù)法的測量(liàng)誤差區别(bié)不大，譜分(fen)析沒有明(ming)顯的優勢(shì)；在氣相含(hán)率進一步(bù)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(chà)爲14.058%，脈沖計(ji)♻️數法的平(ping)🤩均誤差爲(wèi)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(xī)方法。

    含氣(qì)液體測量(liàng)誤差産生(shēng)的主要原(yuan)因是：在氣(qi)液兩相流(liú)⛹🏻‍♀️動💁中，由于(yu)氣泡對旋(xuán)渦發生體(tǐ)的撞擊作(zuo)用，氣泡對(dui)邊界層和(hé)‼️旋渦脫落(luò)的影響，以(yi)及旋渦吸(xi)入氣泡使(shi)其強度減(jiǎn)弱，使旋渦(wo)脈沖數缺(que)失，缺失的(de)旋渦數不(bú)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(zai)一段時域(yù)内得到主(zhu)頻譜作爲(wèi)渦街頻率(lǜ)值，減小了(le)旋渦缺失(shī)對測量的(de)影響。所以(yǐ)含氣液體(ti)流體🔴計量(liàng)中譜分析(xī)方法要好(hao)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(liàng)誤差

    5　結束(shù)語

    從試驗(yàn)結果來看(kàn)，渦街流量(liang)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(ti)中會形成(cheng)氣泡，在旋(xuán)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(yā)區，吸入大(dà)量💯質量較(jiào)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(dào)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(xuán)渦👣的能量(liang)降低，會♍增(zeng)加流場本(ben)身對旋渦(wo)脫落的擾(rǎo)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(xuan)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(guo)上述的試(shi)驗結果及(jí)分析表明(ming)，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(ruo)和可靠性(xìng)變差🚶‍♀️，在這(zhe)種條件下(xià)測量時譜(pu)分析的方(fang)法在氣含(hán)率不大時(shi)🐇（0<β<6%）與脈沖計(jì)數的方法(fa)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(ji)數的方法(fa)。

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