當(dāng)流體流(liú)過阻擋(dǎng)體時會(huì)在阻擋(dang)體的兩(liǎng)側交替(tì)産🔴生旋(xuan)渦，這🌈種(zhong)現象稱(cheng)爲卡門(mén)渦街。20世(shi)紀60年代(dai)日本橫(heng)河公🐪司(si)首先利(lì)用卡門(mén)渦街現(xian)象研制(zhi)出渦街(jie)流量計(jì)，此後渦(wo)街流量(liang)計由于(yu)其諸多(duo)優點得(dé)以在工(gōng)業領域(yù)廣泛應(ying)用[1]。      

    在單(dān)相流體(ti)介質條(tiáo)件下對(dui)渦街流(liu)量計的(de)研究相(xiàng)對比🌈較(jiào)成熟，研(yán)究者通(tong)過試驗(yan)的方法(fǎ)得到了(le)大量有(you)價值的(de)試驗結(jié)果，并應(yīng)用到渦(wō)街流量(liang)計的開(kāi)發中，使(shǐ)得渦街(jie)流量計(jì)的測量(liang)精度、可(ke)靠性得(de)到了很(hěn)大的提(ti)高[2，3]。工業(yè)測量中(zhong)經常會(huì)有這樣(yàng)的🐉情況(kuàng)出現：液(ye)體管道(dào)中有時(shí)會混入(ru)少量的(de)氣體，被(bei)測流質(zhi)變成了(le)氣液兩(liang)相流。由(you)于氣液(yè)兩相流(liu)的複雜(za)性，研究(jiū)這種條(tiao)件下渦(wo)街♉流量(liàng)計測量(liàng)特性的(de)文章不(bú)多。西安(an)交通大(da)學的李(lǐ)永📧光[4-6]曾(ceng)經在氣(qì)液兩相(xiàng)流的豎(shù)直🏃管道(dào)上，對不(bú)同形狀(zhuang)的渦街(jiē)發生體(tǐ)進行了(le)研究，對(dui)不同截(jié)面含氣(qi)率下渦(wō)街的結(jie)構以及(jí)斯特勞(lao)哈爾數(shù)的變化(hua)進行了(le)大量的(de)試驗研(yan)究，并給(gěi)出了斯(sī)特勞哈(hā)爾數随(sui)截面含(han)氣率而(er)變化的(de)公式。李(lǐ)永光的(de)工作主(zhu)要是從(cóng)流體力(li)學的角(jiao)度🌍對氣(qì)液兩相(xiang)流中渦(wō)街現象(xiàng)的機理(lǐ)進行了(le)研究，其(qi)給📱出的(de)試驗結(jie)果涉及(ji)到截面(mian)含氣率(lü)的測量(liàng)[4]。本文通(tong)過試驗(yan)從測量(liàng)的角♊度(du)，研究了(le)水平管(guan)道中含(hán)有少量(liàng)氣體的(de)液體條(tiáo)件下渦(wō)街流量(liàng)計測量(liàng)🌐結果🐇的(de)變化情(qíng)況，并且(qie)測量結(jié)果分别(bie)用譜分(fèn)析和脈(mo)沖計數(shu)兩種測(ce)量方式(shi)得到，通(tōng)過⁉️比較(jiào)發現在(zài)液含氣(qì)流體條(tiáo)件下譜(pǔ)分🙇‍♀️析要(yao)明顯優(you)于脈沖(chong)計數的(de)方式。

    1　試(shì)驗裝置(zhi)與試驗(yàn)方法

    1.1　試(shi)驗裝置(zhì)

    試驗介(jiè)質由已(yǐ)測定流(liú)量的水(shui)和空氣(qi)組成，分(fèn)别送入(rù)管💚道混(hùn)和成氣(qi)液兩相(xiàng)流送入(ru)試驗管(guǎn)段。試驗(yàn)裝置如(ru)圖1所示(shì)。試驗裝(zhuang)置由空(kong)氣壓縮(suō)機、儲氣(qì)罐、蓄水(shui)罐、分離(li)罐、流量(liàng)計、壓力(lì)變送器(qi)、溫度變(bian)送器、工(gong)控機和(he)各種閥(fá)門組成(cheng)。

    空氣壓(ya)縮機将(jiang)空氣壓(yā)縮後送(sòng)入儲氣(qi)罐，标準(zhun)流量計(jì)1計量氣(qì)液混合(hé)前儲氣(qi)罐送入(rù)管道的(de)氣體流(liu)量。蓄水(shui)🏒罐距離(li)地面30m，提(ti)供試✏️驗(yàn)所需的(de)液相，其(qí)流量由(yóu)标準流(liú)量計2測(ce)得。液相(xiàng)和氣相(xiàng)經混和(hé)器混和(hé)後送入(ru)試驗管(guan)段，zui後流(liú)入😄分離(lí)罐将水(shui)和空氣(qi)進行分(fen)離🔴，空氣(qi)由放氣(qì)閥排出(chū)，水由水(shuǐ)泵送回(huí)蓄水罐(guan)循環使(shǐ)用。工控(kong)機對🌈所(suo)有儀表(biǎo)數據進(jìn)行采集(jí)和顯示(shì)并對兩(liǎng)個電動(dòng)調節閥(fá)⭐進行控(kong)制，調節(jiē)氣✨相和(he)液相的(de)流量📱。

    試(shì)驗所用(yong)的渦街(jie)流量計(jì)選擇了(le)一台應(yīng)用zui多的(de)壓電💘式(shi)渦街❌流(liu)量傳感(gan)器，其口(kǒu)徑的直(zhi)徑D=50mm。将渦(wō)街傳感(gan)器放置(zhi)在水平(píng)🈲直管段(duan)上📧，其上(shàng)下遊直(zhi)管段長(zhang)度分别(bié)爲30D和20D。壓(ya)力變送(sòng)器和溫(wen)度變送(song)器分别(bie)放在渦(wō)街流量(liang)傳感器(qì)上遊1D和(hé)下遊10D的(de)位置，混(hùn)和器安(ān)裝在渦(wō)✊街流量(liang)計上遊(you)30D的位置(zhi)。

圖1 氣(qì)液兩相(xiàng)流試驗(yàn)裝置

    1.2 試(shì)驗方法(fǎ)    

    通過流(liu)量計2的(de)測量和(he)調節電(dian)動閥2，水(shuǐ)的流量(liang)取6、8、10、12m³ /h四個(gè)流量值(zhi)。通過電(diàn)動閥1控(kòng)制，流量(liàng)計1顯示(shi)空氣注(zhu)入量的(de)😄範圍爲(wèi)0.3～1.8m³ /h，其壓力(li)範圍爲(wei)0.4～0.5MPa。

    目前工(gong)業中應(ying)用的渦(wō)街流量(liàng)計大部(bù)分是脈(mò)沖輸出(chū)，即将🔅旋(xuán)渦💯信号(hào)轉化爲(wei)脈沖信(xin)号，通過(guo)對脈沖(chong)信号計(jì)數計算(suàn)出旋渦(wo)脫落的(de)頻率。脈(mò)沖輸出(chū)的渦街(jiē)流量計(ji)主要的(de)缺點是(shi)易受噪(zao)📱聲幹擾(rao)，對于小(xiǎo)流量❌來(lai)說由于(yú)😄信号微(wei)弱難以(yi)與噪聲(sheng)區别。近(jin)幾年随(suí)着🐅數字(zì)信号處(chu)理技術(shù)的發🏃‍♀️展(zhǎn)，出現了(le)以⁉️DSP爲核(he)心，具有(yǒu)譜分析(xi)功能的(de)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼渦街流(liu)量計，這(zhè)種方法(fa)提高了(le)對微弱(ruo)渦街頻(pin)率信号(hào)的識别(bie)[7-8]。考慮到(dao)這兩種(zhong)不同類(lèi)型渦街(jie)流量計(ji)在工業(ye)現場使(shi)用，試驗(yan)中🌈同時(shi)用譜分(fèn)析方法(fa)和脈沖(chong)計數方(fang)法對渦(wo)街頻率(lǜ)進行計(ji)算，并☂️對(dui)兩種方(fang)法進行(háng)了比較(jiao)。

    渦街流(liu)量計的(de)轉換電(dian)路流程(cheng)圖如圖(tú)2所示。以(yǐ)5000Hz的頻率(lǜ)對🧑🏾‍🤝‍🧑🏼A點的(de)模拟信(xìn)号進行(hang)采樣，每(mei)次采樣(yàng)10組數據(ju)，每組數(shu)據有5×10⁴ 個(ge)采樣點(dian)，将得到(dao)的采樣(yàng)點進行(háng)傅裏葉(ye)變換得(dé)到不同(tong)測量點(dian)🔅渦街産(chǎn)生的頻(pin)率，同時(shí)通過脈(mò)沖計數(shù)的方法(fǎ)對B點采(cǎi)🚩樣。

圖(tú)2 渦街流(liú)量計電(dian)路框圖(tú)

    2 渦街流(liú)量計的(de)标定

    将(jiang)渦街流(liú)量計在(zài)标準水(shui)裝置上(shang)，分别用(yong)頻譜分(fen)析和脈(mò)沖計數(shu)的方法(fǎ)進行标(biāo)定，流體(tǐ)介質爲(wèi)水未加(jia)氣體，采(cai)用的标(biao)準傳感(gan)器爲精(jing)度等級(ji)爲0.2級的(de)電磁流(liu)量計。在(zai)每個流(liú)量測❗量(liang)點上㊙️的(de)儀表系(xi)數用公(gong)式（1）計算(suan)，然後💔用(yong)式（2）計算(suàn)得到zui終(zhōng)儀表系(xì)數K。Q_l 爲被(bèi)測水的(de)流量值(zhí)，f爲每一(yī)個流量(liàng)點得到(dao)的頻率(lü)，k爲每個(ge)測量點(diǎn)得到的(de)儀表系(xi)數。k_max 、k_min 分别(bié)爲試驗(yàn)流量範(fàn)圍内得(dé)到的zui大(da)與zui小的(de)儀表系(xì)數🏃‍♀️。儀表(biǎo)系數的(de)線性度(du)E₁ 用式（3）來(lai)計算。

    譜分析(xi)和脈沖(chong)計數兩(liang)種不同(tóng)方法計(jì)算出的(de)渦街流(liu)量計儀(yi)🌈表系數(shu)分别爲(wei)：Ks=10107p/m³ ；Kc=10143p/m³ ；計算得(de)到的儀(yí)表系數(shù)線性度(dù)分别爲(wei)：1.2%和1.5%。圖3爲(wèi)儀表系(xì)數💛随水(shuǐ)🌏流量值(zhí)變化的(de)曲線，可(kě)以看出(chu)，在試驗(yàn)所選流(liu)量範🛀🏻圍(wei)内，儀表(biǎo)系數近(jìn)似于一(yī)個常數(shu)，頻譜分(fen)析的結(jie)果與脈(mò)沖計數(shu)所得到(dào)的試驗(yan)♍結果差(chà)别不大(dà)，之間的(de)誤差範(fan)圍爲0.109%～0.688%。可(kě)見被測(ce)介質全(quán)部爲水(shui)時㊙️兩種(zhong)測量方(fang)🐆法并沒(mei)有明顯(xian)的區别(bie)。

圖3　渦(wō)街流量(liàng)計儀表(biǎo)系數

    3　渦(wō)街信号(hao)分析

    試(shì)驗發現(xian)，氣相的(de)加入對(dui)渦街流(liú)量計測(cè)量的影(ying)響顯♊著(zhe)，譜分析(xi)和脈沖(chòng)計數兩(liǎng)種方法(fǎ)随着氣(qì)相注入(ru)的增加(jiā)其💛表現(xian)也不同(tóng)。圖4反映(ying)了水流(liú)量12m³ /h時，注(zhu)入不同(tong)氣含率(lü)β時A點的(de)模拟信(xìn)号，如圖(tu)4（a～c）所示；經(jing)📐譜💘分析(xī)後得到(dào)的頻率(lǜ)值，如圖(tú)4（d～f）所示；用(yong)脈沖計(ji)數方法(fǎ)得到的(de)脈沖信(xin)号，如圖(tú)4（g～i）所示。圖(tú)4顯示，當(dang)注入氣(qi)量❓不大(da)時，對渦(wō)街流量(liàng)計🚩的影(ying)響不大(da)，無論是(shì)譜分析(xī)結果還(hái)是脈沖(chong)計數🛀🏻得(dé)到的結(jie)果都比(bǐ)較好。當(dang)注入的(de)氣量進(jìn)一🈲步增(zēng)加時，渦(wō)街原始(shi)信号💋強(qiáng)度和穩(wěn)定性逐(zhú)漸變差(chà)，渦街頻(pín)率信号(hao)會被幹(gan)擾信号(hào)所淹沒(mei)，反映到(dao)譜分析(xi)圖是，渦(wo)街頻率(lü)的譜☁️能(néng)量減小(xiǎo)，幹擾信(xìn)号的譜(pu)能量加(jia)強；對于(yú)脈沖信(xin)号，會💚因(yīn)爲一些(xie)旋渦信(xin)号減弱(ruo)，形成脈(mò)沖缺失(shi)現象，而(ér)不能真(zhen)實🔱地反(fan)🐆映渦街(jiē)産生的(de)頻率。

    表1反映(yìng)了不同(tong)流量點(dian)Q_l 下，随着(zhe)注氣量(liàng)Qg的增加(jia)，渦街發(fā)生頻率(lǜ)fs和fc的變(bian)化情況(kuàng)。結👣果顯(xiǎn)示，對于(yu)不同的(de)水流量(liàng)，當注入(rù)的氣體(ti)流量增(zeng)加到一(yī)定範圍(wei)時，不能(néng)再檢測(ce)到渦街(jie)信号；在(zai)一定水(shui)流量下(xia)，随着注(zhù)氣量的(de)增加譜(pǔ)分析得(de)到的頻(pín)率值會(hui)變大，這(zhè)是🙇‍♀️由于(yú)總的體(ti)積流量(liàng)增加了(le)，而🈲脈沖(chong)計數法(fǎ)則由于(yú)産生💜脈(mo)沖缺失(shi)現象所(suǒ)得到的(de)🈲頻率值(zhí)減小🛀。因(yīn)此在氣(qì)液兩相(xiàng)流下，譜(pǔ)分析比(bǐ)脈沖計(ji)數法有(you)優勢，它(ta)能在較(jiao)高的含(hán)氣量依(yī)然能檢(jian)測到旋(xuán)渦脫落(luò)的頻率(lü)。

圖4 不(bú)同注氣(qi)量時頻(pin)率信号(hào)圖

    4　渦(wo)街流量(liàng)計的誤(wu)差分析(xi)

    将試驗(yàn)數據進(jìn)行處理(lǐ)，得到了(le)渦街流(liú)量計測(cè)量誤🚶差(cha)随氣相(xiang)含率變(bian)化的情(qíng)況，如圖(tu)5所示。其(qí)中δs爲譜(pu)分析方(fāng)法的測(cè)量誤差(chà)，δc爲脈沖(chong)計數方(fāng)法的測(cè)量誤差(chà)。渦街流(liu)㊙️量計的(de)👉測量誤(wù)差用式(shi)（4）來計算(suan)。其中Qs爲(wèi)裝置中(zhōng)标準表(biǎo)測量出(chu)的管道(dao)總流量(liàng)，Qt爲試驗(yàn)💔管段中(zhong)渦街流(liú)量計的(de)測量值(zhi)。将譜分(fèn)析和脈(mo)沖計數(shu)得到的(de)🔴頻率值(zhí)和儀表(biao)🛀系數分(fèn)别代入(ru)式（5）計算(suan)Qt值。從圖(tu)中可以(yǐ)看出氣(qì)相含率(lü)的增加(jiā)📞兩種測(cè)量方法(fǎ)得到的(de)誤差☀️并(bing)不相同(tóng)。當含氣(qì)率不高(gāo)時，0<β<6%，譜分(fèn)析法的(de)平均誤(wù)差爲1.226%，zui大(dà)誤差爲(wèi)2.687%，脈沖計(ji)數法的(de)平均誤(wu)差爲1.583%，zui大(da)誤差爲(wei)2.898%，因此譜(pǔ)分析法(fǎ)與脈沖(chòng)計數法(fǎ)的測量(liang)誤差區(qū)别👉不大(da)，譜分析(xī)沒有明(ming)顯的優(yōu)勢；在氣(qi)相含率(lü)進一步(bù)增加時(shi)，6%<β<14%，譜分析(xī)法的平(píng)均🤩誤差(cha)爲3.975%，zui大誤(wù)差爲14.058%，脈(mo)沖計🌈數(shù)法的平(ping)👣均誤差(chà)爲20.053%，zui大誤(wu)差爲33.130%，脈(mo)沖計數(shu)的方法(fa)得到的(de)測量誤(wu)差🈚遠大(dà)于譜分(fen)析方法(fǎ)。

    含氣液(ye)體測量(liàng)誤差産(chǎn)生的主(zhǔ)要原因(yin)是：在氣(qì)液兩相(xiang)流⛱️動中(zhong)，由于氣(qì)泡對旋(xuan)渦發生(shēng)體的撞(zhuàng)擊作用(yòng)，氣泡對(duì)邊界層(ceng)和🚩旋渦(wo)脫落的(de)影響，以(yi)及旋渦(wo)吸入氣(qi)泡使其(qí)強度減(jiǎn)♊弱，使旋(xuán)渦脈沖(chòng)數缺失(shi)，缺失的(de)旋渦數(shù)不穩定(ding)🐅，使脈沖(chong)計數方(fāng)法測量(liàng)的誤差(cha)增大，而(er)譜💛分析(xī)的方法(fa)在一段(duàn)時域内(nei)得到主(zhǔ)頻🔴譜作(zuo)爲渦街(jiē)♻️頻率值(zhi)，減小了(le)📐旋渦缺(quē)失對測(ce)🚶‍♀️量的影(ying)響。所以(yǐ)含氣液(yè)體流體(ti)✊計量中(zhong)🚶‍♀️譜分析(xī)方法要(yào)好于脈(mò)沖計數(shù)的方法(fǎ)。

圖(tú)5　不同氣(qi)相含率(lü)下渦街(jiē)流量計(jì)的測量(liàng)誤差

    5　結(jie)束語

    從(cóng)試驗結(jié)果來看(kan)，渦街流(liú)量計在(zài)測量混(hùn)有少量(liang)氣體的(de)液體流(liu)量時，測(cè)量誤差(chà)會顯著(zhe)增加。之(zhi)所以會(hui)出現這(zhe)樣的情(qíng)況，一方(fang)面，氣體(ti)在液體(ti)中會形(xing)成氣🔅泡(pào)，在旋渦(wō)發生❌體(ti)的後部(bù)形成氣(qì)團，并且(qiě)旋渦中(zhong)心會出(chu)現一個(gè)低壓區(qu)🔞，吸入大(dà)量質量(liang)較輕的(de)氣泡，從(cóng)🐪而削弱(ruo)了旋渦(wō)的能量(liàng)，使壓電(diàn)傳感器(qì)🈲檢測不(bu)到旋渦(wo)，導緻檢(jiǎn)測過程(cheng)中脈沖(chong)缺失現(xian)象出現(xiàn)；另一方(fang)面🐆，由于(yú)旋渦的(de)能量🔴降(jiang)低，會增(zeng)加流場(chang)⛷️本身對(dui)旋渦脫(tuō)落的擾(rǎo)動，進一(yi)步增加(jiā)了測量(liàng)的誤差(cha)。其它方(fāng)面，旋渦(wō)發生體(tǐ)後的氣(qi)團，旋🐆渦(wō)中心區(qu)氣泡的(de)含量、旋(xuán)渦🈲外的(de)氣泡量(liang)、氣泡的(de)大小等(deng)等都會(huì)影響測(cè)量的結(jie)果。

    通過(guo)上述的(de)試驗結(jié)果及分(fèn)析表明(ming)，單相液(ye)體中混(hun)入少⚽量(liang)♻️的氣體(tǐ)時會導(dao)緻渦街(jie)旋渦強(qiang)度變弱(ruò)和可靠(kao)性變差(cha)，在這種(zhong)條件下(xià)測量時(shi)譜分析(xi)的方法(fa)在氣含(hán)率不大(da)時🐪（0<β<6%）與脈(mo)沖🛀🏻計數(shù)的方法(fa)差别不(bu)大，但随(suí)⛱️着氣含(han)率的進(jìn)一步增(zēng)加（6%<β<14%），譜分(fen)析的方(fāng)法要好(hao)于脈沖(chòng)計數的(de)方法。

    參(can)考文獻(xiàn)：

    [1]　PankaninGL.Thevortexflowmeter：Variousmethodsofinvestigatingphenomena[J].MeasSciTechnol，2005，16：R1-R16.
    [2]BentleyJP，MuddJW.Vortexsheddingmechanismsinsingleanddualbluffbodies[J].FlowMeasurementandInstrumentation，2003（14）：23-31.
    [3]BentleyJP，BensonRA.Designconditionsforopti2maldualbluffbodyvortexflowmeter[J].FlowMeasInstrum，1993（4）：205-213.
    [4]李永光(guāng)，林宗虎(hu)，王樹衆(zhōng).氣液兩(liǎng)相流體(tǐ)渦街中(zhōng)旋渦結(jié)構的特(tè)性研究(jiū)[J].西安交(jiāo)通大學(xué)學報，1996，30（2）：36-41.
    [5]李(li)永光，林(lin)宗虎.氣(qì)液兩相(xiàng)渦街的(de)數值計(ji)算[J].力學(xué)與實❓踐(jiàn)，1997，19（3）：14-18.
    [6]李永光(guāng)，林宗虎(hǔ).氣液兩(liang)相渦街(jiē)穩定性(xing)的研究(jiū)[J].力學學(xue)報，1998，30（2）：138-144.
    [7]徐科(ke)軍，呂迅(xun)宏，陳榮(róng)保，等.基(jī)于DSP、具有(you)譜分析(xi)功能的(de)渦街流(liu)量計🚶‍♀️信(xin)号處理(lǐ)系統[J].儀(yi)器儀表(biao)學報，2001，22（3）：255-264.
    [8]孫(sun)宏軍，張(zhang)濤，淩箐(qìng).基于松(sōng)弛陷波(bo)周期圖(tú)法的渦(wo)街流量(liàng)計信👣号(hao)處理技(ji)術的研(yan)究[J].儀器(qi)儀表學(xué)報，2004，25（5）：577-581