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(jì)60年代日本(běn)橫河公司(sī)首先利用(yong)卡門渦街(jie)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(diǎn)得以在工(gong)業領域廣(guang)泛應用[1]。      

    在(zài)單相流體(ti)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(you)價值的試(shi)驗結果，并(bìng)應🐆用到渦(wō)街流量計(ji)的開發中(zhong)，使得渦街(jie)流量計的(de)測量精❤️度(dù)、可靠性得(de)到了很大(da)的提高[2，3]。工(gong)業測量😄中(zhong)經常會有(you)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(chéng)了氣液兩(liang)相流。由于(yu)氣液兩相(xiang)流的複雜(zá)性，研究這(zhe)種條件下(xia)渦街流量(liàng)計測量特(te)性的文章(zhang)不多。西🥵安(ān)💃🏻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(guan)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(tè)勞哈爾數(shù)的變化進(jin)行了大量(liang)的試驗研(yán)究，并給出(chu)了斯特🌍勞(láo)哈爾數随(sui)截面含氣(qì)率而變✉️化(huà)☂️的公式。李(lǐ)永光的工(gong)作主要是(shì)從流體力(lì)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(wén)通過試驗(yan)從測量⚽的(de)角度，研究(jiū)了水平管(guǎn)道中含有(you)少量氣🐇體(ti)的液體條(tiáo)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(bie)用譜分析(xi)和脈沖計(ji)數兩種測(cè)量方式得(dé)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(yu)脈沖計數(shù)的方式。

    1　試(shì)驗裝置與(yǔ)試驗方法(fǎ)

    1.1　試驗裝置(zhi)

    試驗介質(zhi)由已測定(dìng)流量的水(shui)和空氣組(zǔ)成，分别送(sòng)入管道混(hun)和成氣液(ye)兩相流送(sòng)入試驗管(guǎn)段。試驗裝(zhuang)置如🎯圖1所(suǒ)示。試🏃🏻‍♂️驗裝(zhuang)☂️置由空氣(qi)壓縮機、儲(chǔ)氣罐、蓄水(shui)🥰罐、分離罐(guàn)、流量計、壓(yā)力變送器(qì)、溫度變🈚送(song)器、工控機(ji)🚶和各種閥(fá)⛱️門組成。

    空(kong)氣壓縮機(ji)将空氣壓(ya)縮後送入(rù)儲氣罐，标(biāo)準流量計(ji)1計量氣液(ye)混合前儲(chu)氣罐送入(rù)管道的氣(qì)體流量。蓄(xu)水罐距離(li)地面30m，提供(gong)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(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(shuǐ)和空氣進(jìn)行分離👌，空(kōng)氣由放氣(qi)閥排出，水(shuǐ)由水泵送(sòng)回蓄水罐(guàn)循環使用(yòng)。工控機對(duì)所有儀表(biao)數據進⛹🏻‍♀️行(hang)采集和顯(xiǎn)示并對🍉兩(liǎng)個電動調(diao)節閥🥰進行(háng)控制，調節(jiē)氣相和液(ye)相的流量(liang)。

    試驗所用(yòng)的渦街流(liú)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(gǎn)器，其口徑(jing)的直徑D=50mm。将(jiāng)渦街傳感(gan)器放置在(zài)水平直管(guǎn)段上❗，其上(shang)下遊直管(guan)段長度分(fèn)别爲30D和20D。壓(ya)力變送器(qì)和🈲溫度變(bian)🏃‍♂️送器分❤️别(bié)放在渦街(jie)流量傳感(gǎn)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(wèi)置。

圖(tu)1 氣液兩相(xiang)流試驗裝(zhuang)置

    1.2 試驗方(fang)法    

    通過流(liú)量計2的測(cè)量和調節(jie)電動閥2，水(shui)的流量取(qǔ)6、8、10、12m³ /h四個流量(liang)值。通過電(dian)動閥1控制(zhì)，流量計1顯(xiǎn)示空氣注(zhu)入量的範(fan)🏃‍♂️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(fen)是脈沖輸(shu)出，即❤️将旋(xuan)渦信号轉(zhuǎn)化爲脈沖(chòng)信号，通過(guò)對脈沖信(xin)号計🈚數計(ji)算出旋渦(wō)脫落的頻(pin)率。脈沖輸(shu)出的渦街(jiē)流量計👌主(zhu)要的缺點(dian)是易受噪(zào)🌍聲幹擾，對(duì)于小流量(liàng)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(you)❌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(lü)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(wō)街頻率進(jìn)行計算，并(bìng)對兩種方(fang)法進行了(le)比較。

    渦街(jie)流量計的(de)轉換電路(lu)流程圖如(ru)圖2所示。以(yǐ)5000Hz的頻率對(duì)👄A點的模拟(ni)信号進行(háng)采樣，每次(ci)采樣10組數(shù)據，每組數(shu)據有㊙️5×10⁴ 個采(cǎi)樣點，将得(dé)到的采樣(yang)點進行傅(fu)裏葉變換(huàn)得到不㊙️同(tong)測⛱️量點渦(wō)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(cǎi)樣。

圖(tú)2 渦街流量(liàng)計電路框(kuàng)圖

    2 渦街流(liú)量計的标(biāo)定

    将渦街(jie)流量計在(zai)标準水裝(zhuang)置上，分别(bie)用頻譜分(fèn)析和脈👈沖(chong)計數的方(fāng)法進行标(biāo)定，流體介(jie)質爲水未(wèi)加氣體，采(cai)用🍉的标♋準(zhǔn)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(liú)量測量點(dian)上📧的儀表(biǎo)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(shuǐ)的流量值(zhi)，f爲每一個(ge)流量點得(de)到的頻率(lü)，k爲每🏃‍♀️個測(cè)量點得到(dào)的儀表系(xì)數。k_max 、k_min 分别爲(wei)試驗流量(liang)範圍内得(de)到的zui大與(yu)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(xī)和脈沖計(jì)數兩種不(bu)同方法計(jì)算出的渦(wō)街流量計(ji)🈲儀表系數(shù)分别爲：Ks=10107p/m³ ；Kc=10143p/m³ ；計(ji)算得到的(de)儀表系數(shù)線性度分(fen)别爲：1.2%和1.5%。圖(tu)3爲儀表系(xì)數随水流(liú)量值變化(hua)的曲線，可(kě)以看出，在(zai)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(xī)的結果與(yǔ)脈沖計數(shù)所得到的(de)試驗結果(guǒ)差别不大(dà)，之間的誤(wu)差範圍爲(wei)0.109%～0.688%。可見被測(ce)介質全部(bu)爲水時兩(liang)種測量方(fāng)🎯法并沒有(yǒu)明顯的區(qu)别。

圖(tú)3　渦街流量(liang)計儀表系(xi)數

    3　渦街信(xìn)号分析

    試(shì)驗發現，氣(qi)相的加入(rù)對渦街流(liu)量計測量(liàng)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(tong)。圖4反映了(le)水流量12m³ /h時(shí)，注入不同(tóng)氣含率β時(shi)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(lǜ)值，如圖4（d～f）所(suǒ)示；用脈沖(chong)計數方法(fǎ)得到的脈(mo)沖信号，如(rú)圖4（g～i）所示。圖(tú)4顯示，當注(zhù)入氣量不(bú)大時✍️，對渦(wo)街流量計(ji)的影響不(bú)大，無⛱️論是(shi)譜分析結(jie)果還是脈(mò)沖計數✏️得(de)到的結果(guo)都比較好(hǎo)。當注入✂️的(de)氣量進一(yi)步增加時(shí)，渦街原始(shi)信号強度(dù)和穩定性(xìng)逐漸變差(chà)🏃🏻‍♂️，渦街頻率(lǜ)信号會😄被(bèi)幹擾信号(hào)所✌️淹沒，反(fǎn)映到譜分(fèn)析圖是，渦(wō)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(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(zhen)實地反👈映(ying)渦街産生(shēng)的頻率。

    表1反映(yìng)了不同流(liu)量點Q_l 下，随(suí)着注氣量(liàng)Qg的增加，渦(wo)街發生頻(pín)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(qì)體流量增(zēng)加到一定(ding)🛀範圍時，不(bú)能再檢測(cè)到渦街信(xin)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(jī)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(lǜ)值減小☂️。因(yin)此在氣液(yè)兩相流下(xià)，譜分析比(bǐ)脈沖計數(shù)法有優勢(shi)，它📐能在較(jiào)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(xi)

    将試驗數(shù)據進行處(chù)理，得到了(le)渦街流量(liang)計測量誤(wù)差随氣❄️相(xiang)✏️含🌈率變化(hua)的情況，如(ru)圖5所示。其(qi)中δs爲譜分(fèn)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(liang)計的測量(liàng)誤差用式(shi)（4）來計算。其(qí)中Qs爲裝置(zhì)中标準表(biao)測量出的(de)管道總流(liú)量，Qt爲試驗(yan)管段中渦(wo)✨街流量計(ji)的測量值(zhi)。将譜分析(xi)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(zhí)。從圖中可(ke)以看出氣(qi)相含率的(de)增加💚兩種(zhong)測量方法(fa)得到的誤(wù)差并不相(xiang)同。當含氣(qi)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(wù)差爲2.687%，脈沖(chòng)計數法的(de)平均誤差(cha)爲1.583%，zui大🥰誤差(cha)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(bie)💜不大，譜分(fèn)析沒有明(ming)顯的優勢(shì)；在氣相含(hán)率進一步(bu)增加時，6%<β<14%，譜(pǔ)分析法的(de)平均誤差(cha)爲3.975%，zui大誤差(chà)爲14.058%，脈沖計(jì)數法的平(ping)均誤差爲(wèi)20.053%，zui大誤差爲(wèi)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(sheng)的主要原(yuán)因是：在氣(qì)液兩⛷️相流(liú)動中，由于(yu)氣泡對旋(xuán)渦發生體(ti)的撞擊作(zuò)用，氣泡對(duì)邊界層和(hé)旋渦脫落(luò)的影響，以(yǐ)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(bu)穩定，使脈(mò)沖計數方(fang)法測量的(de)誤差增大(da)，而譜分析(xi)的方法在(zai)一段時域(yù)☎️内得到主(zhu)頻譜作爲(wei)渦街頻率(lǜ)值，減小了(le)旋渦缺失(shī)對測量的(de)影響。所以(yi)含氣液體(ti)流體♻️計量(liang)中譜分析(xī)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(liàng)誤差

    5　結束(shù)語

    從試驗(yàn)結果來看(kan)，渦街流量(liang)計在測量(liàng)混有少量(liàng)氣體的🤞液(ye)體流量時(shi)，測量誤差(chà)會顯著增(zēng)加。之所以(yǐ)會出現這(zhe)樣的情況(kuang)，一㊙️方面，氣(qi)體在液體(tǐ)中會形成(chéng)氣泡，在旋(xuan)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼渦發生體(ti)的後部形(xíng)成氣團，并(bìng)且旋渦中(zhōng)心會出現(xiàn)一個低壓(ya)區，吸入大(dà)量質量較(jiao)輕的氣泡(pào)，從👅而削弱(ruò)了旋渦的(de)能量，使壓(yā)電傳感器(qì)👣檢測不到(dao)旋👈渦，導緻(zhi)檢測過🈲程(cheng)中脈沖缺(que)失現象出(chū)現；另一方(fang)面，由于旋(xuan)渦的能量(liàng)降低，會增(zēng)加流場😘本(ben)身對旋渦(wo)脫落的擾(rǎo)動，進一步(bu)增加了測(ce)量的誤差(cha)。其它方面(miàn)，旋渦發生(sheng)體後的氣(qì)團，旋渦中(zhōng)心⚽區氣泡(pao)的含量、旋(xuan)渦外的氣(qi)泡量、氣泡(pao)☎️的大小等(děng)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(shǎo)量的氣體(tǐ)時會導緻(zhì)渦街旋渦(wo)強度變弱(ruo)和可靠性(xìng)💁變差，在這(zhe)種條件下(xia)測量時譜(pǔ)分析的方(fang)法在氣含(hán)率不大時(shi)（0<β<6%）與脈沖計(ji)數的🍓方法(fa)差🙇🏻别不大(da)，但随着氣(qi)含率的進(jin)一步✌️增加(jia)（6%<β<14%），譜分析的(de)方法要好(hǎo)于脈沖計(ji)數的方法(fǎ)。

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