當流體(ti)流過阻擋體(ti)時會在阻擋(dang)體的兩側交(jiao)替産生☎️旋渦(wō)，這種現象稱(chēng)爲卡門渦街(jiē)。20世紀60年代日(ri)本橫河公司(sī)首先利🈲用卡(ka)門渦街現象(xiàng)研制出渦街(jiē)流量計，此後(hou)渦街流量計(ji)由于其諸多(duo)優點得以在(zài)工業領域廣(guǎng)泛應用[1]。      

    在單(dan)相流體介質(zhì)條件下對渦(wō)街流量計的(de)研究相對比(bǐ)較成熟🐪，研究(jiū)者通過試驗(yan)的方法得到(dào)了大量有價(jia)值的試驗結(jie)果，并應♻️用到(dào)渦街流量計(ji)的開發中，使(shǐ)得渦街流量(liàng)計的測量精(jīng)度、可靠性得(de)到了很大的(de)提高[2，3]。工業測(ce)量中經常會(huì)有這樣的情(qíng)況出現：液體(ti)管道中有時(shi)會混入💋少量(liang)的氣體，被測(ce)流質變💘成了(le)氣液兩相流(liú)。由于氣液兩(liǎng)相流的複雜(zá)性，研究這種(zhǒng)條件下渦街(jie)流量計測量(liang)特性♊的文章(zhang)不多。西安交(jiao)通大學的李(lǐ)永光[4-6]曾經在(zai)氣液兩🌈相流(liú)的豎直🥵管道(dào)上，對不同形(xing)狀的渦街發(fa)生體進行了(le)研👣究，對✔️不同(tóng)截面含氣率(lǜ)下渦街的結(jie)構以及斯🐅特(te)勞哈爾🏃🏻數的(de)變化進行了(le)大量的試驗(yàn)研究，并給出(chū)了斯特📧勞哈(ha)爾數随截面(mian)含氣率而變(bian)化的公式。李(lǐ)永光的工作(zuo)主要是從流(liú)體力學的角(jiǎo)度對氣液兩(liǎng)相流中渦街(jiē)現象的機理(li)進行了研究(jiu)，其給出的試(shi)驗結果涉及(jí)到截面含氣(qì)率的測量[4]。本(ben)文通過試驗(yàn)從測量的角(jiǎo)🛀度，研究👉了水(shuǐ)平管道中含(hán)有少量氣㊙️體(ti)的液體條件(jiàn)下渦街流量(liang)計測量結果(guo)的變化情況(kuàng)，并且測量結(jie)果分别用譜(pu)分析和脈沖(chong)計數兩🧡種測(ce)量方式得到(dao)，通過比較發(fā)現在液含氣(qì)流體條件🌂下(xià)譜分析❤️要明(míng)顯優于脈沖(chòng)計數的方式(shì)。

    1　試驗裝置與(yu)試驗方法

    1.1　試(shì)驗裝置

    試驗(yàn)介質由已測(ce)定流量的水(shui)和空氣組成(cheng)，分别送入管(guǎn)道混🈚和成氣(qì)液兩相流送(sòng)入試驗管段(duan)。試驗裝置如(ru)圖1所示。試驗(yàn)裝置由空氣(qi)壓縮機、儲氣(qì)罐、蓄水罐、分(fen)離罐、流量計(jì)、壓力變送器(qi)、溫度變送器(qì)、工控機和各(ge)種閥門組成(chéng)。

    空氣壓縮機(ji)将空氣壓縮(suo)後送入儲氣(qì)罐，标準流量(liàng)計1計量氣✔️液(yè)混合前儲氣(qi)罐送入管道(dào)的氣體流量(liang)📧。蓄水罐距離(lí)地面30m，提供試(shì)驗所需的液(ye)相，其流量由(you)标準流量計(ji)2測得。液相💯和(hé)氣相經混和(he)♊器混和後送(sòng)👨‍❤️‍👨入試驗管段(duan)，zui後流入分離(lí)罐将水和空(kong)氣✏️進行分離(lí)，空氣由放氣(qi)閥排出，水由(yóu)水泵送回蓄(xu)水罐循環使(shi)用。工控機對(dui)所🌈有儀表數(shù)據進行采集(ji)和顯示并對(duì)兩個電動調(diao)節閥🌈進行控(kong)制，調節氣相(xiang)和液相的流(liú)🈲量。

    試驗所用(yong)的渦街流量(liàng)計選擇了一(yi)台應用zui多的(de)壓🈲電式渦街(jie)流量傳感器(qì)，其口徑的直(zhi)徑D=50mm。将渦街傳(chuán)感器放置在(zai)☂️水平直管段(duàn)上，其上下遊(yóu)直管段長度(dù)分别爲30D和20D。壓(ya)力變送器和(he)❤️溫度變送器(qì)分别放在渦(wō)街✨流量傳感(gǎn)器上遊1D和下(xià)遊10D的位👣置，混(hun)和器安裝在(zài)渦😍街流量計(jì)上遊30D的位置(zhi)。

圖1 氣液兩相(xiang)流試驗裝置(zhi)

    1.2 試驗方法    

    通(tōng)過流量計2的(de)測量和調節(jie)電動閥2，水的(de)流量取6、8、10、12m³ /h四個(gè)流量值。通過(guo)電動閥1控制(zhi)，流量計1顯示(shi)空氣注入量(liàng)的🔱範圍🔞爲0.3～1.8m³ /h，其(qí)壓力範圍爲(wei)0.4～0.5MPa。

    目前工業中(zhōng)應用的渦街(jiē)流量計大部(bu)分是脈沖輸(shū)出，即将👣旋渦(wō)🔴信号轉化爲(wei)脈沖信号，通(tōng)過對脈沖信(xìn)号計🧑🏽‍🤝‍🧑🏻數計💃算(suan)出旋渦脫落(luò)的頻率。脈沖(chong)輸出的渦街(jie)流量計主要(yào)的缺點是易(yì)受噪㊙️聲幹擾(rao)☔，對于小流量(liang)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼來說由于信(xìn)号微弱難以(yi)與噪聲區别(bie)。近幾年随着(zhe)❌數字信号處(chù)理技術的發(fa)展，出現了以(yǐ)👨‍❤️‍👨DSP爲核心，具有(yǒu)譜分析功能(néng)的❗渦街流量(liang)計，這種方法(fa)提高了對微(wēi)弱渦街頻率(lü)信号的識别(bié)[7-8]。考慮到這兩(liǎng)種不同類型(xíng)渦街流量計(jì)在工業現場(chang)使用，試驗中(zhong)同時用譜分(fen)析方法和脈(mo)沖計數方法(fǎ)對渦街頻率(lǜ)進行計算，并(bìng)對兩種方法(fa)進行了比較(jiao)❤️。

    渦街流量計(ji)的轉換電路(lu)流程圖如圖(tú)2所示。以5000Hz的頻(pín)率對🔆A點的模(mo)拟信号進行(hang)采樣，每次采(cǎi)樣10組數據，每(mei)組數據有5×10⁴ 個(gè)采樣點，将得(dé)到的采樣點(diǎn)進行傅裏葉(ye)變換得到不(bu)❄️同測量🧑🏾‍🤝‍🧑🏼點渦(wo)街産生的頻(pin)率，同時通過(guo)脈沖計數的(de)方法對B點采(cǎi)樣。

圖2 渦街流(liú)量計電路框(kuang)圖

    2 渦街流量(liàng)計的标定

    将(jiang)渦街流量計(jì)在标準水裝(zhuāng)置上，分别用(yòng)頻譜分析和(he)脈☁️沖📐計數的(de)方法進行标(biao)定，流體介質(zhi)爲水未加氣(qi)體，采用的标(biāo)準傳感器爲(wei)精度等級爲(wei)0.2級的電磁流(liú)量計。在每個(ge)🏒流量測量點(diǎn)上的儀表系(xì)數用公式（1）計(ji)算，然後🛀用式(shì)（2）計算得到zui終(zhong)儀🙇🏻表系數K。Q_l 爲(wei)被測水的流(liu)量值，f爲每一(yī)個流量點得(de)到的頻率🐆，k爲(wei)每個✌️測📧量✏️點(diǎn)得到的儀表(biǎo)系數。k_max 、k_min 分别爲(wei)試驗流量範(fan)圍内得到的(de)zui大與zui小的儀(yi)表系🔴數。儀表(biǎo)系數的線性(xìng)度E₁ 用式（3）來計(jì)算。

    譜分析和(hé)脈沖計數兩(liang)種不同方法(fǎ)計算出的渦(wo)街流量計儀(yi)表系數分别(bie)爲：Ks=10107p/m³ ；Kc=10143p/m³ ；計算得到(dao)的儀表系數(shù)線性度分别(bié)爲：1.2%和1.5%。圖3爲儀(yí)表系數随水(shuǐ)💋流量值變化(huà)的曲線，可以(yǐ)看出，在試驗(yan)所選流☎️量範(fàn)圍内💰，儀表系(xi)數近似于一(yī)個常數，頻譜(pǔ)分析的結💛果(guǒ)與脈沖計數(shu)所得到☔的試(shì)驗結果差别(bie)不大，之間的(de)💞誤差範圍爲(wei)0.109%～0.688%。可見被測介(jie)質全部爲水(shuǐ)時☂️兩種測量(liàng)方法并沒有(yǒu)明顯的區别(bié)。

圖3　渦街流量(liàng)計儀表系數(shù)

    3　渦街信号分(fen)析

    試驗發現(xian)，氣相的加入(rù)對渦街流量(liang)計測量的影(yǐng)響顯著，譜分(fèn)析🚶‍♀️和脈沖計(ji)數兩種方法(fǎ)随着氣相注(zhù)入的增加其(qí)表現也不同(tóng)。圖4反映了水(shuǐ)流量12m³ /h時，注入(ru)不同氣含率(lǜ)β時A點的模拟(ni)信号，如圖4（a～c）所(suo)示；經譜分析(xī)後得到的頻(pín)率值，如圖4（d～f）所(suo)示；用脈沖計(ji)數方法得到(dào)的脈沖信号(hào)，如圖4（g～i）所示。圖(tú)4顯示，當注入(rù)氣量不大時(shi)，對渦街流量(liang)計的影響不(bú)大，無論是譜(pǔ)分析結果還(hái)是脈沖計數(shu)🤟得到的結果(guǒ)都比較好。當(dang)注入💘的氣量(liàng)進一步增加(jia)時，渦街原始(shi)信号強度和(he)穩定性逐漸(jian)變差，渦🌈街頻(pín)率信号會被(bei)幹擾信号所(suo)淹沒，反映到(dào)譜㊙️分析圖💛是(shi)，渦街頻率的(de)譜能量減小(xiǎo)，幹擾信号的(de)譜能量加強(qiang)；對于脈沖信(xin)号，會因⛱️爲一(yi)些旋渦信号(hào)減弱，形成脈(mò)沖缺失現象(xiàng)，而不能真實(shi)🏒地反映渦街(jiē)産生的頻率(lǜ)。

    表1反映了不(bú)同流量點Q_l 下(xia)，随着注氣量(liàng)Qg的增加，渦街(jiē)發生頻率fs和(hé)fc的變化情況(kuang)。結果顯示🧑🏽‍🤝‍🧑🏻，對(duì)于不同的水(shuǐ)流量，當注入(rù)的氣體流量(liang)增加到一定(dìng)範圍時，不🔱能(néng)再檢測到渦(wo)街信号；在一(yi)定水流量下(xia)，随着注氣量(liàng)的增加譜❗分(fen)析得到的頻(pín)率值會變大(da)，這是由于總(zong)的體積流量(liang)🌈增加了，而脈(mo)沖計數法則(ze)由于産生脈(mo)沖缺失現象(xiang)所得到的🔞頻(pín)率值減小🈲。因(yin)此在氣液兩(liǎng)相流下，譜分(fen)析比脈沖計(ji)數法有優勢(shi)，它能在較高(gāo)的含氣量依(yī)然能檢測到(dào)旋渦脫落的(de)頻率😘。

圖4 不同(tong)注氣量時頻(pín)率信号圖

    4　渦(wo)街流量計的(de)誤差分析

    将(jiāng)試驗數據進(jin)行處理，得到(dào)了渦街流量(liang)計測量誤差(cha)✊随氣相含率(lü)變化的情況(kuàng)，如圖5所示。其(qí)中δs爲譜分析(xī)方法的測量(liang)🎯誤差，δc爲脈沖(chong)計數方法的(de)測量誤差。渦(wo)街流量計的(de)測量誤差用(yong)式（4）來計算。其(qi)中Qs爲裝置中(zhong)标準表測量(liàng)出的管道總(zong)流量，Qt爲試驗(yàn)管段中渦⛱️街(jie)流量計的測(ce)量值。将譜分(fen)析和脈沖計(jì)數得到的頻(pín)率值和儀表(biǎo)系數分别代(dai)入式（5）計算Qt值(zhi)。從圖中可以(yi)看出氣相含(hán)率的增加兩(liǎng)種測量方法(fǎ)得到的誤差(chà)并不相同。當(dāng)含氣率不高(gao)時，0<β<6%，譜分析法(fǎ)的平均誤🥵差(cha)爲1.226%，zui大誤差爲(wèi)2.687%，脈沖計數法(fǎ)的平均誤差(chà)爲1.583%，zui大誤差🧑🏾‍🤝‍🧑🏼爲(wei)2.898%，因此譜分析(xi)法與脈沖💞計(ji)數法的測量(liàng)誤差區别不(bu)大，譜分析沒(mei)有明顯的優(you)勢；在氣相含(han)率進一步增(zēng)加🔴時，6%<β<14%，譜分析(xi)法的平均誤(wu)差🛀🏻爲3.975%，zui大誤差(cha)爲14.058%，脈沖計數(shu)法的平⭕均誤(wu)差爲20.053%，zui大誤差(chà)爲33.130%，脈沖計數(shù)的方法得到(dào)的測量誤差(cha)遠大于譜分(fèn)析方法。

    含氣(qì)液體測量誤(wu)差産生的主(zhu)要原因是：在(zài)氣液兩相流(liú)動中，由于氣(qi)泡對旋渦發(fa)生體的撞擊(jī)作用，氣泡對(duì)邊界層和⭕旋(xuán)渦脫落的影(yǐng)響，以及旋渦(wo)吸入氣泡使(shǐ)其強度減❗弱(ruo)，使旋渦脈沖(chong)數缺失，缺失(shi)的旋渦數不(bu)穩定⛱️，使脈沖(chòng)計數方法測(ce)量的誤差🆚增(zeng)大，而譜分析(xi)的方法在一(yi)段時域内得(de)到主頻譜作(zuo)爲渦街🏃🏻頻率(lü)值，減小⛱️了旋(xuán)渦缺失對測(cè)量的影響。所(suo)以含氣液體(tǐ)流體計量中(zhōng)🈲譜分析方法(fa)要好于脈沖(chong)計數的方法(fǎ)。

圖5　不同氣相(xiang)含率下渦街(jiē)流量計的測(cè)量誤差

    5　結束(shu)語

    從試驗結(jié)果來看，渦街(jie)流量計在測(cè)量混有少量(liang)氣體的液體(ti)流量時，測量(liang)誤差會顯著(zhe)增加。之所以(yǐ)會出現這樣(yàng)的情🐅況，一方(fang)面，氣體在液(yè)體中會形成(chéng)氣泡，在旋🏃‍♀️渦(wō)發生體的後(hou)部形成氣團(tuán)，并💃且旋渦中(zhong)心會出現一(yi)⁉️個低壓區🐕，吸(xi)入大量質量(liang)較輕的氣泡(pao)，從而削弱了(le)旋渦的能量(liàng)，使壓電傳感(gǎn)器檢測不到(dao)旋渦，導緻檢(jiǎn)測過程中脈(mo)沖缺失現象(xiàng)出現；另一⛹🏻‍♀️方(fang)面，由于旋渦(wō)🐇的能量降低(di)，會增加流場(chang)本身對旋渦(wo)脫㊙️落的擾動(dong)，進一步增加(jiā)了測量的誤(wu)差。其它方面(miàn)，旋🧑🏾‍🤝‍🧑🏼渦發生體(tǐ)後的氣團，旋(xuan)渦中心區氣(qì)泡的含量、旋(xuan)渦💚外的氣泡(pào)量、氣泡的大(dà)小等等都會(huì)影響測量的(de)結🚩果。

    通過上(shàng)述的試驗結(jié)果及分析表(biǎo)明，單相液體(tǐ)中混㊙️入❓少量(liang)的氣體時會(huì)導緻渦街旋(xuan)渦強度變弱(ruò)和可🔞靠性變(bian)差，在這種條(tiao)件下測量時(shi)譜分析的方(fāng)法在氣含率(lǜ)不大時（0<β<6%）與脈(mo)沖計數的方(fāng)法差别不大(dà)，但随着氣含(han)率的進一步(bu)增加（6%<β<14%），譜分析(xī)的方法要好(hao)于脈沖計數(shù)的方🈲法。

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