當(dāng)流體流(liú)過阻擋(dang)體時會(hui)在阻擋(dǎng)體的兩(liǎng)側交替(tì)産生旋(xuán)渦，這種(zhong)現象稱(cheng)爲卡門(mén)渦街。20世(shi)紀60年代(dài)日本橫(héng)河公司(sī)首✨先利(li)用卡門(men)渦街現(xiàn)象研制(zhì)出渦街(jie)流量計(ji)，此後渦(wō)街流量(liàng)計由于(yú)其諸多(duō)優點🌈得(dé)以在工(gōng)業領域(yu)廣泛應(ying)用[1]。      

    在單(dan)相流體(ti)介質條(tiáo)件下對(duì)渦街流(liu)量計的(de)研究相(xiàng)對💯比較(jiào)成✉️熟，研(yan)究者通(tong)過試驗(yàn)的方法(fǎ)得到了(le)大量有(you)價值的(de)試驗㊙️結(jie)果，并應(yīng)用到渦(wō)街流量(liang)計的開(kai)發中，使(shi)得渦街(jiē)流量計(ji)的♻️測量(liàng)精度、可(ke)靠性得(dé)到了很(hen)☔大的提(ti)高[2，3]。工業(yè)測量中(zhōng)經常會(huì)有這樣(yàng)的情況(kuàng)出現：液(yè)體管道(dao)中有時(shí)會混入(rù)少量的(de)氣體🈲，被(bèi)測流質(zhì)變成了(le)氣液兩(liang)相🚶流。由(yóu)于氣液(ye)兩相流(liú)的複雜(zá)性💋，研究(jiu)這種條(tiao)件下渦(wo)街流量(liàng)計👅測量(liang)特性的(de)文章不(bu)多。西安(an)交通大(da)學的李(li)永光[4-6]曾(céng)經在氣(qì)液兩㊙️相(xiang)流的豎(shù)直管道(dao)上，對不(bú)同形狀(zhuàng)的渦街(jie)發生體(ti)進行了(le)研究，對(duì)不同截(jié)面含氣(qi)率下渦(wo)街的結(jié)構以及(ji)斯特勞(láo)哈爾數(shù)的變化(huà)進行了(le)大量的(de)試🥰驗研(yán)究，并給(gei)出了斯(si)特勞哈(hā)爾數随(suí)截面含(hán)氣率🤞而(ér)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(xiàng)流中🔴渦(wo)街現象(xiang)的機理(li)進行了(le)研究，其(qi)給❤️出的(de)試驗結(jie)果涉及(jí)到截面(mian)含氣率(lü)的測量(liàng)[4]。本💚文通(tong)過試驗(yàn)從測量(liàng)的角度(du)，研究了(le)水平管(guan)道中含(han)有少量(liàng)氣🈲體的(de)液體🈲條(tiáo)件下渦(wo)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(bié)用譜分(fen)析和脈(mo)沖計數(shù)🔴兩㊙️種測(ce)量方式(shì)得到，通(tōng)過比較(jiao)發現在(zai)液含氣(qì)流體條(tiao)件下譜(pu)分析要(yào)明顯優(you)于脈沖(chong)計數的(de)方式。

    1　試(shì)驗裝置(zhi)與試驗(yan)方法

    1.1　試(shì)驗裝置(zhi)

    試驗介(jiè)質由已(yi)測定流(liu)量的水(shui)和空氣(qì)組成，分(fèn)别送入(rù)管道混(hun)🌐和成氣(qi)液兩相(xiang)流送入(rù)試驗管(guan)段。試驗(yan)裝置如(ru)圖1所示(shì)。試🍓驗裝(zhuang)置由空(kong)氣壓縮(suo)機、儲氣(qi)罐、蓄水(shui)罐、分離(lí)罐、流量(liàng)💋計、壓力(lì)變送器(qi)、溫度變(bian)送器、工(gōng)控機和(hé)各種閥(fa)門組成(cheng)。

    空氣壓(yā)縮機将(jiang)空氣壓(ya)縮後送(song)入儲氣(qi)罐，标準(zhun)流量計(jì)1計量氣(qi)液混合(hé)前儲氣(qì)罐送入(ru)管道的(de)氣體流(liu)量。蓄水(shuǐ)罐距離(lí)地面30m，提(tí)供試驗(yan)所需的(de)液相，其(qi)流量由(you)标準流(liú)量計2測(cè)🐆得。液相(xiàng)和氣相(xiàng)經混和(hé)器混和(hé)後送入(rù)試驗管(guan)段，zui後流(liu)入分離(li)罐将水(shui)和空氣(qì)進行分(fèn)離，空氣(qi)由放氣(qì)閥排出(chu)，水由水(shuǐ)泵送回(huí)蓄❌水罐(guan)循環使(shi)☎️用。工控(kong)機對所(suo)有儀表(biao)數據進(jìn)行采集(jí)和顯示(shi)并對兩(liang)個電動(dong)調節閥(fa)進行控(kòng)❤️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(shì)💃渦街🏃流(liu)量傳感(gǎn)器，其口(kǒu)徑的直(zhi)徑D=50mm。将渦(wo)街傳感(gǎn)器放置(zhì)在水平(píng)直管段(duan)上，其上(shàng)下遊直(zhi)管段長(zhang)度分别(bie)爲30D和20D。壓(yā)力變送(song)器和溫(wēn)度變送(sòng)器分⚽别(bié)放在渦(wō)街流量(liang)傳感器(qì)上遊1D和(he)下遊10D的(de)位置，混(hùn)和器安(an)裝在渦(wo)街流量(liàng)計上遊(yóu)30D的位置(zhì)。

圖1 氣(qi)液兩相(xiang)流試驗(yan)裝置

    1.2 試(shi)驗方法(fa)    

    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(liàng)取6、8、10、12m³ /h四個(gè)流量值(zhí)。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(wei)0.3～1.8m³ /h，其壓力(lì)範圍爲(wèi)0.4～0.5MPa。

    目前工(gōng)業中應(ying)用的渦(wō)街流量(liang)計大部(bù)分是脈(mo)沖輸出(chu)🐉，即将旋(xuan)渦信号(hao)轉化爲(wèi)脈沖信(xìn)号，通過(guo)對脈沖(chong)信号計(ji)數計算(suan)出🌈旋渦(wo)脫落的(de)頻率。脈(mo)沖輸出(chū)的渦街(jiē)流量計(ji)主要的(de)缺點是(shì)💋易受噪(zào)✂️聲幹擾(rǎo)，對于小(xiǎo)流量來(lái)說由于(yu)信号微(wēi)弱難以(yi)與噪聲(shēng)區别。近(jìn)幾年随(suí)着數字(zi)信号處(chu)理技術(shù)的發展(zhan)，出現了(le)以DSP爲核(hé)心，具有(yǒu)譜分析(xī)功能的(de)渦街流(liu)量計，這(zhe)種方法(fa)提高了(le)對微弱(ruo)渦街頻(pin)率信号(hao)的識别(bié)[7-8]。考慮到(dao)這⛱️兩種(zhong)不同類(lèi)型渦街(jiē)流量計(ji)在工業(ye)♈現場使(shǐ)用，試驗(yan)中同時(shí)用譜分(fèn)析方法(fǎ)和脈沖(chong)計數方(fang)法對渦(wō)🥵街頻率(lǜ)進行計(jì)算，并對(dui)兩種方(fāng)法進行(hang)了比較(jiao)。

    渦街流(liu)量計的(de)轉換電(dian)路流程(cheng)圖如圖(tu)2所示。以(yi)5000Hz的頻🔞率(lǜ)對A點的(de)模拟信(xìn)号進行(háng)采樣，每(měi)次采樣(yang)10組數據(ju)，每組數(shu)據有5×10⁴ 個(gè)采樣點(diǎn)，将得到(dào)的采樣(yàng)點進行(hang)傅裏葉(yè)變換得(de)到不同(tóng)測♻️量點(dian)渦街産(chan)生的頻(pín)率，同時(shi)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(diàn)路框圖(tu)

    2 渦街流(liu)量計的(de)标定

    将(jiāng)渦街流(liu)量計在(zai)标準水(shuǐ)裝置上(shàng)，分别用(yong)頻譜分(fèn)析❤️和脈(mo)✊沖計⭐數(shù)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(biāo)❄️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(yòng)式（2）計算(suan)得到zui終(zhōng)儀表系(xi)數K。Q_l 爲被(bei)測水的(de)流量值(zhi)，f爲每一(yī)個流量(liang)點得到(dào)的頻率(lü)✍️，k爲每🌍個(gè)測量點(dian)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(dà)與zui小的(de)儀表系(xì)數。儀表(biao)🌐系數的(de)線性度(dù)E₁ 用式（3）來(lái)計算。

    譜分析(xī)和脈沖(chong)計數兩(liǎng)種不同(tong)方法計(ji)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(wèi)：1.2%和1.5%。圖3爲(wei)儀表系(xì)數随水(shuǐ)⭕流量值(zhi)變化的(de)曲線，可(ke)以看出(chū)，在試驗(yàn)所選流(liú)量範✏️圍(wei)内，儀表(biao)系數近(jìn)似于一(yī)個常數(shu)，頻譜分(fen)🔴析的結(jié)果與脈(mò)沖計數(shù)所得到(dào)的試驗(yan)結果差(chà)别不大(dà)，之間的(de)🌏誤差範(fàn)圍爲0.109%～0.688%。可(kě)見被測(cè)介質全(quán)部爲水(shuǐ)時兩種(zhong)測量方(fāng)法并沒(mei)有明顯(xian)的區别(bie)。

圖3　渦(wō)街流量(liang)計儀表(biao)系數

    3　渦(wō)街信号(hào)分析

    試(shi)驗發現(xian)，氣相的(de)加入對(duì)渦街流(liú)量計測(ce)量的影(ying)響♉顯🐇著(zhe)，譜🐅分析(xi)和脈沖(chòng)計數兩(liǎng)種方法(fa)随着氣(qì)相注入(ru)👈的增加(jia)其💘表現(xian)也不同(tong)。圖🏃‍♀️4反映(ying)了水流(liú)量12m³ /h時，注(zhù)入不同(tóng)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(xi)後得到(dao)的頻率(lü)值，如圖(tu)4（d～f）所示；用(yòng)脈沖計(jì)數方法(fǎ)得到的(de)脈沖信(xin)号，如圖(tu)㊙️4（g～i）所示。圖(tu)4顯示，當(dang)注入氣(qi)量不大(da)時，對渦(wo)街🌈流量(liàng)計的影(yǐng)響不大(da)，無✨論是(shi)譜分析(xī)結果還(hai)是脈沖(chong)計數🔞得(de)到的結(jié)果都比(bǐ)較好。當(dang)注入👅的(de)氣量進(jin)一步增(zeng)加時，渦(wō)街原始(shi)信号強(qiang)度和穩(wen)定性逐(zhú)漸變差(cha)，渦街頻(pín)率信号(hao)會👣被幹(gàn)擾信号(hao)所淹沒(mei)，反映到(dào)譜分析(xi)圖是，渦(wo)街頻率(lǜ)的譜⛹🏻‍♀️能(néng)量減小(xiǎo)，幹擾信(xin)号的譜(pǔ)能量加(jia)強；對于(yú)脈沖信(xin)号，會因(yīn)爲一些(xiē)旋渦信(xìn)号減👄弱(ruò)，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(tóng)流量點(dian)Q_l 下，随着(zhe)注氣量(liang)Qg的增加(jia)，渦街發(fā)生頻率(lǜ)fs和fc的變(biàn)化情況(kuàng)。結果顯(xiǎn)示，對于(yú)不同的(de)水流量(liang)，當注入(rù)的氣體(ti)流量增(zēng)加到一(yi)定👄範圍(wéi)時，不能(neng)再檢測(ce)到渦街(jie)信号；在(zai)一定水(shui)☀️流量下(xià)，随着注(zhù)氣量的(de)增加譜(pu)分析得(de)到的頻(pin)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(chòng)計數法(fa)則由于(yu)産生脈(mo)沖缺失(shi)現象所(suǒ)得到的(de)頻率值(zhi)減小。因(yīn)♌此在氣(qì)液兩相(xiang)❤️流下，譜(pǔ)分析比(bǐ)脈沖計(ji)數法有(you)優勢，它(tā)能在較(jiao)高的含(han)氣量依(yī)然能檢(jiǎn)測🌈到旋(xuán)渦脫落(luò)的頻率(lü)。

圖4 不(bu)同注氣(qi)量時頻(pín)率信号(hao)圖

    4　渦(wō)街流量(liàng)計的誤(wù)差分析(xi)

    将試驗(yàn)數據進(jin)行處理(lǐ)，得到了(le)渦街流(liu)量計測(ce)量誤差(cha)随氣相(xiàng)含率變(bian)化的情(qíng)況，如圖(tu)5所示。其(qi)中δs爲譜(pu)分析方(fang)法的測(ce)量誤差(chà)，δc爲脈🐅沖(chong)計數方(fang)法的測(cè)量誤差(chà)。渦街流(liú)量計的(de)測量誤(wù)⭕差用式(shì)（4）來計算(suàn)。其中Qs爲(wèi)裝置中(zhōng)标準表(biǎo)測量出(chū)的管道(dao)總流量(liàng)，Qt爲試驗(yàn)管段中(zhong)渦街流(liu)量計的(de)測量值(zhí)。将譜❓分(fèn)析和脈(mo)沖計數(shu)得到的(de)頻率值(zhí)和儀表(biǎo)系數分(fèn)别代入(ru)式（5）計算(suàn)Qt值。從圖(tu)中可以(yi)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(tong)。當含氣(qì)🐆率不高(gao)時，0<β<6%，譜分(fen)析法的(de)平均誤(wù)差爲1.226%，zui大(da)誤差爲(wei)2.687%，脈沖計(ji)數法的(de)平均誤(wu)差爲1.583%，zui大(da)誤差爲(wèi)2.898%，因此譜(pǔ)分析法(fa)與脈沖(chong)計數法(fa)的測量(liang)誤差區(qū)别不大(dà)，譜分析(xī)沒有明(ming)顯的優(you)勢；在氣(qi)相含率(lǜ)進一步(bù)增加時(shí)，6%<β<14%，譜分析(xī)法的平(píng)均誤差(cha)爲3.975%，zui大誤(wu)差爲14.058%，脈(mo)沖計數(shu)法的平(ping)均誤差(chà)爲20.053%，zui大誤(wù)差爲33.130%，脈(mo)沖計數(shù)的方法(fǎ)得到的(de)測量誤(wu)差遠大(dà)于譜分(fen)析方法(fǎ)。

    含氣液(yè)體測量(liang)誤差産(chan)生的主(zhu)要原因(yin)是：在氣(qì)液兩相(xiang)🔴流動中(zhōng)，由👣于氣(qì)泡對旋(xuán)渦發生(sheng)體的撞(zhuang)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(wō)吸入氣(qi)泡使其(qi)🐉強度減(jiǎn)弱，使旋(xuan)渦脈沖(chòng)🚩數缺失(shi)🔴，缺失的(de)旋渦數(shù)不穩定(ding)💜，使脈沖(chòng)計數方(fang)法測量(liang)的誤差(chà)增大，而(ér)譜💔分析(xi)的方法(fǎ)在一段(duan)時域内(nèi)得到主(zhu)頻譜作(zuò)爲渦街(jie)🔞頻率值(zhí)，減小了(le)旋渦缺(quē)失對測(ce)🛀🏻量的影(ying)響。所以(yi)含氣液(yè)體流體(ti)計量中(zhong)譜分析(xī)🤞方法要(yào)好于脈(mo)沖計數(shu)的方法(fa)。

圖(tu)5　不同氣(qi)相含率(lǜ)下渦街(jiē)流量計(ji)的測量(liàng)誤差

    5　結(jie)束語

    從(cong)試驗結(jié)果來看(kan)，渦街流(liu)量計在(zai)測量混(hun)有少量(liang)氣體的(de)液體流(liu)量時，測(ce)量誤差(cha)會顯著(zhe)增加。之(zhī)所以會(huì)🐉出現這(zhè)樣的情(qing)況，一方(fāng)面，氣體(ti)在液體(ti)中會形(xíng)成氣泡(pào)，在旋渦(wō)發生體(tǐ)的後部(bù)形成氣(qì)團，并且(qie)旋渦中(zhōng)心🙇‍♀️會出(chu)現一個(ge)低壓區(qū)，吸入大(da)量質量(liàng)較輕🚶‍♀️的(de)氣泡，從(cóng)而削弱(ruò)了旋渦(wo)的能量(liàng)，使壓電(dian)傳感器(qì)檢測不(bu)到旋渦(wō)，導緻檢(jiǎn)測過程(chéng)中脈沖(chòng)缺失現(xiàn)象出現(xiàn)；另一方(fang)面🌏，由于(yu)旋渦🔴的(de)能量👄降(jiàng)低，會增(zeng)加流場(chǎng)本身對(duì)旋渦脫(tuo)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(qū)氣泡的(de)含量♻️、旋(xuán)渦外的(de)氣泡量(liàng)、氣泡的(de)大小等(deng)等都會(huì)影響測(ce)量的結(jie)☔果。

    通過(guo)上述的(de)試驗結(jié)果及分(fèn)析表明(míng)，單相液(ye)體中混(hun)✉️入少量(liàng)的氣體(tǐ)時會導(dǎo)緻渦街(jie)旋渦強(qiang)度變弱(ruo)和可靠(kao)性變差(cha)，在這種(zhong)條件下(xià)測量時(shí)譜分析(xi)的方法(fǎ)在氣含(han)率不大(da)時（0<β<6%）與脈(mo)沖計數(shù)的方法(fǎ)差别不(bú)大，但随(sui)✍️着氣含(han)率的進(jìn)一步💯增(zēng)加（6%<β<14%），譜分(fèn)析的方(fang)法要好(hǎo)于脈❌沖(chòng)計數的(de)方法。

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