當流體(tǐ)流過阻擋(dǎng)體時會在(zài)阻擋體的(de)兩側交替(tì)産生旋渦(wō)，這種現象(xiàng)稱爲卡門(mén)渦街。20世紀(ji)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(zhi)出渦街流(liu)量計，此後(hou)渦街流量(liang)計由于其(qi)諸多優點(dian)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(jiàn)下對渦街(jiē)流量計的(de)研究相對(duì)比較💯成熟(shú)，研究者通(tōng)過試驗的(de)方法得到(dào)了大量有(yǒu)價值的🙇🏻試(shì)驗結果，并(bing)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(gōng)業測量🥰中(zhōng)經常會有(you)這樣的情(qíng)況出現🐆：液(ye)體管道中(zhōng)有時會混(hùn)入少量的(de)氣體，被測(ce)流質變成(chéng)了氣液兩(liǎng)相💋流。由于(yu)氣液兩相(xiàng)流的複雜(za)性，研究這(zhè)種條件下(xia)渦街流量(liang)計測量特(tè)性的文章(zhang)不多。西安(ān)交通大學(xue)的李永光(guāng)[4-6]曾經在氣(qi)液兩相流(liú)的豎直管(guǎn)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(liàng)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(li)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(wo)街現象的(de)機理進🐪行(hang)了研究，其(qi)給出的試(shi)驗結果涉(shè)及到截面(mian)含氣率的(de)測量[4]。本⁉️文(wen)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(tiao)件下渦街(jie)流量計測(ce)量結果的(de)變化情況(kuàng)，并且測量(liang)結果分别(bie)用譜分析(xi)和脈沖計(ji)數兩種測(ce)量方式得(de)到，通過比(bǐ)較發現在(zai)液含氣流(liú)體條件🔅下(xià)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(yu)試驗方法(fa)

    1.1　試驗裝置(zhì)

    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(hun)和成氣液(yè)兩相流送(sòng)入試驗管(guan)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(chu)氣罐、蓄水(shui)罐、分離罐(guan)、流量計、壓(ya)力變送器(qi)、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(ru)儲氣罐，标(biao)準流量計(ji)1計✊量氣液(yè)混合前儲(chu)氣罐送入(ru)管道的氣(qi)體流量㊙️。蓄(xù)水罐距離(lí)地面30m，提供(gòng)試驗所需(xū)的液相，其(qi)流量由标(biāo)準流量計(ji)2測💰得。液相(xiàng)✨和氣相💜經(jing)混和器混(hun)和後送入(ru)試驗管❄️段(duan)，zui後流入分(fen)離罐将水(shui)和空氣進(jìn)行分離，空(kong)氣由放氣(qì)閥排出，水(shui)由水泵送(song)回蓄🔴水罐(guan)循環使用(yong)。工控機對(dui)所有儀表(biao)數據進行(háng)采集和顯(xian)示并對兩(liǎng)個電動♍調(diào)節閥進行(háng)控制，調節(jiē)氣相和液(yè)相的流量(liàng)🈲。

    試驗所用(yòng)的渦街流(liú)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(jìng)的直徑D=50mm。将(jiāng)渦街傳感(gǎn)器放⛷️置在(zai)水平☀️直管(guǎn)段上，其上(shang)下遊直管(guan)段長度分(fen)✏️别爲30D和20D。壓(yā)力變🏃🏻‍♂️送器(qì)和溫度變(bian)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(tú)1 氣液兩相(xiang)流試驗裝(zhuang)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(shuǐ)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(zhi)，流量計1顯(xian)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(fèn)是脈沖輸(shu)出，即将🈲旋(xuan)渦信号轉(zhuǎn)化爲脈沖(chong)信号，通過(guo)對脈沖信(xìn)号計數計(ji)算出旋渦(wo)脫落的頻(pín)率。脈沖輸(shu)出的渦街(jiē)流量計主(zhu)要的缺點(dian)是易受噪(zao)聲幹擾，對(duì)于小流量(liang)來說由于(yú)✨信号微弱(ruò)㊙️難以與噪(zào)聲區别。近(jìn)✨幾年随着(zhe)👈數字信号(hào)處理技術(shu)的發⛱️展，出(chū)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(zhè)種方法提(ti)高了對微(wēi)弱渦街頻(pin)率信号的(de)識别⁉️[7-8]。考慮(lü)到這🥰兩種(zhǒng)不同類型(xíng)渦街流量(liang)計在工業(yè)現場使用(yong)，試驗中同(tóng)時用譜分(fèn)析方法和(hé)脈沖計數(shu)方法對渦(wō)街頻率進(jin)行計算，并(bìng)對兩種方(fāng)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(dui)A點的💃🏻模拟(ni)信号進行(háng)采樣，每次(cì)采樣10組數(shu)據，每組數(shu)據有🥵5×10⁴ 個采(cǎi)樣點，将得(de)到的采樣(yàng)點進行傅(fu)裏葉變換(huàn)得到不同(tóng)測🏃🏻量♌點渦(wo)街産生的(de)頻率，同時(shi)通過脈沖(chong)計數的方(fang)法對🔞B點采(cǎi)樣。

圖(tu)2 渦街流量(liang)計電路框(kuang)圖

    2 渦街流(liu)量計的标(biāo)定

    将渦街(jie)流量計在(zài)标準水裝(zhuāng)置上，分别(bié)用頻譜分(fèn)析和脈沖(chong)計數🏃🏻的方(fāng)法進行标(biāo)定，流體介(jiè)質爲水未(wèi)加氣體，采(cǎi)用的标準(zhun)傳感器爲(wèi)精度等級(jí)爲0.2級的電(diàn)磁流量計(ji)。在每個流(liu)量測量點(diǎn)上🛀的儀表(biǎo)系數用公(gōng)式☀️（1）計算，然(ran)後用式（2）計(ji)算得到zui終(zhōng)儀表系數(shu)K。Q_l 爲被測水(shui)的流量值(zhí)，f爲每一個(gè)流量點得(dé)到的頻率(lǜ)，k爲每🤩個測(cè)量點得到(dào)的儀表系(xi)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(biao)系數🌐。儀🈲表(biao)系數的線(xian)性度E₁ 用式(shi)（3）來計算。

    譜分析(xī)和脈沖計(ji)數兩種不(bú)同方法計(ji)算出的渦(wō)街流量計(ji)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(fen)别爲：1.2%和1.5%。圖(tu)3爲儀表系(xì)數随✏️水🌈流(liu)量值變化(hua)的曲線，可(ke)以看出，在(zai)試驗所選(xuan)流量範圍(wei)内，儀表系(xi)數近似于(yu)一個常數(shù)，頻譜分析(xi)的結果與(yǔ)脈沖計數(shù)所得到的(de)試驗結果(guǒ)差别不大(da)，之間的👌誤(wu)差範圍爲(wei)0.109%～0.688%。可見被🤞測(cè)介質全部(bu)爲水時兩(liang)種測量方(fang)法并沒有(yǒu)明顯的區(qū)别。

圖(tú)3　渦街流量(liang)計儀表系(xì)數

    3　渦街信(xìn)号分析

    試(shi)驗發現，氣(qi)相的加入(ru)對渦街流(liú)量計測量(liang)的影響顯(xiǎn)著🏒，譜分析(xī)和脈沖計(ji)數兩種方(fāng)法随着氣(qì)相注入的(de)增🎯加其表(biǎo)現也不⚽同(tong)。圖🏃‍♂️4反映了(le)水流量12m³ /h時(shí)，注入不同(tong)氣含率β時(shi)A點的模拟(nǐ)信号，如圖(tu)4（a～c）所示；經♉譜(pu)🌍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(fǎ)得到的脈(mo)沖信号，如(ru)圖4（g～i）所示。圖(tu)4顯示，當注(zhù)入氣量不(bú)大時，對渦(wo)街流量計(jì)的影響不(bú)大，無論是(shì)譜分析結(jié)果還是脈(mo)沖計數得(dé)到的結果(guǒ)都比較好(hǎo)。當注入❤️的(de)氣量進一(yi)🔅步增加時(shí)，渦街原始(shǐ)信号強度(du)和穩定🚩性(xìng)逐漸變差(cha)✌️，渦街頻率(lü)信号會被(bei)幹擾信号(hào)所淹沒📞，反(fǎn)映到譜✨分(fen)析圖是，渦(wo)街頻率的(de)譜能量減(jian)小，幹擾信(xìn)号的譜能(néng)量加強；對(duì)于脈沖信(xìn)号，會因爲(wei)一些旋👌渦(wō)信号減弱(ruo)，形成脈沖(chong)㊙️缺失現象(xiàng)，而不能真(zhen)實💛地反👨‍❤️‍👨映(yìng)渦街産生(sheng)的頻率。

    表1反映(yìng)了不同流(liú)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(dui)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(ding)水💔流量下(xià)，随着注氣(qì)量的♉增加(jiā)譜分析得(dé)到的頻率(lü)值會變大(da)，這是由于(yú)總的體積(ji)流量增加(jia)了，而脈沖(chong)計數法則(ze)由于産生(sheng)脈沖缺失(shi)現象所得(dé)到的頻率(lǜ)值減小。因(yīn)此在氣液(ye)兩相流下(xià)，譜分析比(bǐ)脈沖計數(shù)法有🤟優勢(shì)，它能在較(jiao)🌈高的含氣(qi)量依然能(néng)檢測💞到🚶旋(xuán)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(jiē)流量計的(de)誤差分析(xī)

    将試驗數(shù)據進行處(chu)理，得到了(le)渦街流量(liàng)計測量誤(wù)差随氣相(xiàng)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(cha)。渦街流量(liàng)計的測量(liang)誤差用式(shì)（4）來計算。其(qi)中Qs爲裝置(zhi)中标準表(biao)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(jì)的測量值(zhi)。将譜分析(xi)和脈沖計(jì)數得到的(de)頻率值和(hé)儀表系數(shù)分别代入(rù)式（5）計算Qt值(zhi)。從圖中可(kě)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(xiàng)同。當含氣(qì)🛀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(wù)🏃差爲2.687%，脈沖(chong)計💋數法的(de)平均誤差(chà)爲1.583%，zui大誤差(chà)爲2.898%，因此譜(pu)分析法與(yu)脈沖計數(shù)法的測量(liang)📱誤差區别(bie)不大，譜分(fèn)析沒有明(míng)顯的優勢(shi)；在氣相含(han)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(píng)均誤差爲(wèi)20.053%，zui大誤差爲(wèi)33.130%，脈沖計數(shu)的方法得(de)到的測量(liàng)誤差遠大(da)🔴于譜分析(xi)方法。

    含氣(qi)液體測量(liang)誤差産生(sheng)的主要原(yuan)因是：在氣(qi)液兩相流(liu)動中🆚，由于(yú)氣泡對旋(xuan)渦發生體(tǐ)的撞擊作(zuo)用，氣泡對(duì)邊界層和(hé)旋渦脫落(luò)的影響，以(yi)及旋渦吸(xī)入氣泡使(shǐ)其強度減(jiǎn)弱，使旋😄渦(wo)脈沖🥰數缺(quē)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(xi)的方法在(zài)一段時域(yu)🏃‍♂️内得到主(zhǔ)頻🔞譜作爲(wèi)渦街頻率(lü)值，減小了(le)旋渦缺失(shi)對測量的(de)影響。所以(yi)含氣液體(ti)流體計量(liàng)中譜分析(xi)方法要好(hao)于脈沖計(ji)數的方法(fǎ)。

圖5　不同氣(qi)相含率下(xia)渦街流量(liàng)計的測量(liàng)誤差

    5　結束(shù)語

    從試驗(yan)結果來看(kàn)，渦街流量(liàng)計在測量(liàng)混有少量(liang)氣💔體的液(yè)體流量時(shí)，測量誤差(cha)會顯著增(zēng)加。之所以(yi)會出現這(zhè)樣的情📧況(kuàng)，一方面，氣(qi)體在液體(ti)中會形成(cheng)氣泡，在旋(xuan)渦發生體(tǐ)的後部形(xing)成氣團，并(bing)且旋渦中(zhong)心會出現(xian)一個低壓(yā)區，吸入大(da)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(dào)旋渦，導緻(zhi)檢測過程(chéng)中脈沖缺(quē)失現象出(chū)現；另一方(fāng)面，由于旋(xuan)渦♋的能量(liàng)降低，會增(zēng)加流場本(běn)身對旋渦(wō)脫落的擾(rao)動，進一步(bu)增加了測(ce)量的誤差(cha)。其它方面(miàn)，旋渦發生(shēng)體♈後的氣(qì)團，旋渦中(zhong)心🐪區氣泡(pào)的含量、旋(xuán)渦🐉外的氣(qi)泡量、氣泡(pao)的大小等(děng)等都會影(ying)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(shao)量的氣體(ti)時會導緻(zhì)渦街旋渦(wō)強度變弱(ruo)和可靠性(xing)變差，在這(zhe)種條件下(xià)✂️測量時譜(pǔ)分析的方(fāng)法在氣含(han)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(qi)含率的進(jìn)一步增加(jiā)（6%<β<14%），譜分析的(de)方法要好(hao)于脈🔅沖計(jì)數的方法(fǎ)。

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