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(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(héng)河公司(sī)首先利(lì)用卡門(mén)渦街現(xiàn)象研制(zhì)出渦街(jie)流量計(jì)，此後渦(wo)街流量(liang)計由于(yú)其諸多(duo)優點得(dé)以在工(gōng)業領域(yu)廣泛應(ying)用[1]。      

    在單(dān)相流體(tǐ)介質條(tiáo)件下對(dui)渦街流(liú)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(yǒu)價值的(de)試驗🔴結(jié)果，并應(ying)用到渦(wō)街流量(liàng)計的開(kāi)發中，使(shǐ)得渦街(jiē)流量計(jì)的測量(liang)精度、可(kě)靠性得(dé)到了很(hěn)🙇‍♀️大的提(tí)高🛀[2，3]。工業(ye)測量中(zhong)經常會(hui)有這樣(yang)的情況(kuang)出現：液(yè)體管道(dao)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(liǎng)相流。由(yóu)于氣液(ye)兩相流(liú)的複雜(za)性🧑🏽‍🤝‍🧑🏻，研究(jiū)這種條(tiáo)件🈲下渦(wo)街流量(liang)計測量(liang)特性的(de)文章不(bú)多。西安(an)交通大(da)學的李(li)永💛光[4-6]曾(ceng)經在氣(qì)液兩相(xiang)流的豎(shu)直管道(dào)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(shu)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(ha)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(lì)學的角(jiǎo)度㊙️對氣(qì)液👉兩相(xiàng)流中☁️渦(wo)街現象(xiang)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(miàn)含氣率(lǜ)的測量(liang)[4]。本文通(tong)過試驗(yan)從測量(liang)🌂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(liang)計測量(liang)結果的(de)變化情(qing)況🥵，并且(qie)測量結(jie)果分别(bié)用譜分(fen)析和脈(mo)沖計數(shù)兩種測(cè)量方式(shì)得到，通(tong)過比較(jiào)發現在(zài)液含氣(qì)流體條(tiao)件下譜(pu)分析要(yao)明顯優(yōu)于脈沖(chòng)計數的(de)方式。

    1　試(shi)驗裝置(zhi)與試驗(yàn)方法

    1.1　試(shi)驗裝置(zhì)

    試驗介(jie)質由已(yi)測定流(liú)量的水(shuǐ)和空氣(qì)組成，分(fen)别送入(ru)管道🚶混(hun)和成氣(qi)液兩相(xiàng)流送入(rù)試驗管(guan)段。試驗(yan)裝置如(ru)圖1所示(shi)。試驗裝(zhuang)✉️置由空(kōng)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(gōng)控機和(hé)各種閥(fá)門組成(chéng)。

    空氣壓(ya)縮機将(jiang)空氣壓(ya)縮後送(sòng)入儲氣(qì)罐，标準(zhǔn)流量計(jì)1計量氣(qi)液混合(hé)前儲氣(qi)罐送入(ru)管道的(de)氣體流(liú)量。蓄水(shui)罐距離(li)地面30m，提(ti)供試🈚驗(yan)所需的(de)液相，其(qi)流量由(you)🔞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(rù)試驗管(guǎn)段，zui後流(liu)入分離(lí)罐将水(shui)和空氣(qì)進行分(fèn)離㊙️，空氣(qì)由放氣(qì)閥排出(chū)，水由水(shui)泵送回(huí)蓄🐉水罐(guan)循環使(shǐ)㊙️用。工控(kong)機對所(suǒ)有儀表(biǎo)數據進(jin)行采集(jí)和顯示(shì)并對兩(liǎng)個電動(dòng)調節閥(fa)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(ji)選擇了(le)一台應(yīng)用zui多的(de)壓電式(shi)渦街流(liu)量傳感(gǎn)器，其口(kǒu)徑的直(zhí)徑D=50mm。将渦(wō)街傳感(gǎn)🐆器放置(zhi)在🏃‍♂️水平(píng)直管段(duàn)上❓，其上(shàng)下遊直(zhí)管段長(zhǎng)度分别(bie)爲30D和20D。壓(ya)力變送(sòng)器和溫(wēn)度變送(sòng)器分别(bie)放在渦(wō)街🐪流量(liàng)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(liang)計上💁遊(you)30D的位置(zhi)。

圖1 氣(qi)液兩相(xiang)流試驗(yan)裝置

    1.2 試(shì)驗方法(fa)    

    通過流(liú)量計2的(de)測量和(he)調節電(diàn)動閥2，水(shuǐ)的流量(liàng)取6、8、10、12m³ /h四個(ge)流量值(zhi)。通過電(dian)動閥1控(kong)制，流量(liang)計1顯示(shi)空氣注(zhù)入🧑🏾‍🤝‍🧑🏼量♉的(de)範🔴圍爲(wèi)0.3～1.8m³ /h，其壓力(lì)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(bu)分是脈(mò)沖輸出(chu)，即将旋(xuán)渦信号(hao)轉化爲(wei)脈沖信(xìn)号，通過(guò)對脈沖(chòng)信号計(jì)數計算(suan)出旋渦(wō)脫落的(de)頻率。脈(mò)沖輸出(chu)的渦街(jiē)流量計(ji)主要的(de)☂️缺點是(shì)❌易受噪(zao)💋聲幹擾(rǎo)，對于小(xiǎo)流量來(lái)說由于(yu)信号微(wei)弱難以(yi)與噪聲(shēng)區别。近(jin)幾年随(sui)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(xī)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(pín)🌈率信号(hao)的識别(bié)[7-8]。考慮到(dào)這兩種(zhong)不同類(lèi)型渦街(jie)流量計(ji)在工業(yè)💋現場使(shi)用，試驗(yan)中同時(shí)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(diàn)路流程(chéng)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(háng)采樣，每(měi)次采樣(yàng)10組數據(jù)，每組數(shù)據有5×10⁴ 個(gè)采樣點(diǎn)，将得到(dao)的采樣(yàng)點進行(háng)傅裏葉(ye)變換得(de)到不同(tóng)測量點(dian)渦街産(chan)生的頻(pin)率，同時(shi)通過脈(mò)沖計數(shu)的方💋法(fa)對B點采(cǎi)樣。

圖(tu)2 渦街流(liú)量計電(dian)路框圖(tu)

    2 渦街流(liú)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(yòng)頻譜分(fen)析和脈(mò)沖計數(shù)✨的方法(fǎ)進行标(biāo)定，流體(tǐ)介質爲(wei)水未加(jiā)氣體🐪，采(cai)用的标(biāo)準傳🈲感(gan)器爲精(jīng)度等級(jí)爲0.2級的(de)電磁👨‍❤️‍👨流(liú)量計。在(zài)每個流(liú)量測量(liàng)點上的(de)儀表系(xì)數用公(gōng)式（1）計算(suàn)，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(yi)個流量(liang)點得到(dao)的頻率(lǜ)🈲，k爲每個(gè)測量點(diǎn)得到的(de)儀表系(xì)數。k_max 、k_min 分别(bie)爲試驗(yàn)流量範(fan)圍内得(de)到的zui大(dà)與zui小的(de)儀表系(xi)♻️數。儀🔆表(biǎo)系數的(de)線性度(dù)E₁ 用式（3）來(lái)計算。

    譜分析(xi)和脈沖(chòng)計數兩(liang)種不同(tong)方法計(ji)算出的(de)渦街流(liú)量㊙️計儀(yí)⭐表系數(shu)分别爲(wei)：Ks=10107p/m³ ；Kc=10143p/m³ ；計算得(dé)到的儀(yi)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(zhí)變化的(de)曲線，可(kě)以看出(chu)，在試驗(yàn)所選流(liú)量範圍(wei)内，儀表(biao)系數近(jìn)似于一(yi)個常數(shu)，頻譜分(fen)析的結(jié)果與脈(mò)沖計數(shù)所得到(dao)的試驗(yàn)🙇‍♀️結果差(cha)别不大(dà)，之間的(de)誤差範(fan)圍🤞爲0.109%～0.688%。可(ke)見被測(ce)介質全(quán)部爲水(shui)時兩種(zhǒng)測量方(fāng)🙇‍♀️法并沒(mei)有明顯(xiǎn)的區别(bie)。

圖3　渦(wō)街流量(liang)計儀表(biao)系數

    3　渦(wō)街信号(hao)分析

    試(shì)驗發現(xiàn)，氣相的(de)加入對(dui)渦街流(liú)量計測(ce)量的影(yǐng)響顯著(zhe)，譜分析(xi)和脈沖(chong)計數兩(liang)種方法(fǎ)随着氣(qi)相注入(ru)的增💋加(jiā)其表現(xiàn)也不同(tóng)。圖4反映(ying)了水流(liú)量12m³ /h時，注(zhu)入不同(tóng)氣含率(lü)β時A點的(de)模拟信(xìn)号，如圖(tú)4（a～c）所示；經(jing)⚽譜分析(xi)後得到(dào)的頻率(lü)值，如圖(tú)4（d～f）所示；用(yong)脈沖計(ji)數方法(fa)得到的(de)脈沖信(xìn)号，如圖(tú)4（g～i）所示。圖(tú)4顯示，當(dāng)注入氣(qì)量不大(dà)時，對渦(wo)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(jin)一步增(zeng)加時，渦(wō)🛀街原始(shi)信号強(qiáng)度和穩(wen)定性逐(zhú)漸變差(chà)，渦👄街頻(pín)率信号(hao)會被幹(gan)擾信号(hao)所😘淹沒(méi)，反映到(dào)譜分析(xī)圖是，渦(wō)街💞頻率(lǜ)的譜能(neng)量減小(xiǎo)，幹擾信(xin)号的譜(pu)能量加(jia)強💜；對于(yu)脈沖信(xin)号，會⭐因(yin)爲一些(xie)旋♉渦信(xin)号減弱(ruò)，形成脈(mò)沖缺失(shī)現象，而(ér)不能真(zhen)實地反(fǎn)映渦街(jiē)産生的(de)頻❗率。

    表1反映(ying)了不同(tong)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(bian)化情況(kuàng)。結果顯(xiǎn)示，對于(yú)不同的(de)水流量(liàng)，當注入(ru)的氣體(ti)流🔴量增(zeng)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(xia)，随着注(zhu)氣量的(de)💃增加譜(pǔ)🈚分析得(dé)到的頻(pín)率值會(huì)💘變大，這(zhè)是由于(yu)總的體(ti)積流量(liang)💞增加了(le)，而脈沖(chong)計數法(fǎ)則由于(yu)産生🙇‍♀️脈(mò)沖缺失(shī)現象所(suǒ)得到的(de)㊙️頻率值(zhí)減小✌️。因(yin)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(jiǎn)測到旋(xuan)渦脫落(luo)的頻率(lü)🏒。

圖4 不(bu)同注氣(qi)量時頻(pin)率信号(hào)圖

    4　渦(wo)街流量(liàng)計的誤(wù)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(ce)量誤差(cha)随氣相(xiàng)含🥰率變(biàn)化的情(qíng)況，如圖(tú)5所示。其(qí)中δs爲譜(pu)分析方(fang)法的測(cè)量誤差(cha)，δc爲脈沖(chòng)計數方(fāng)法的測(ce)量誤差(chà)。渦街流(liu)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(biao)♊測量出(chu)的管道(dào)總流㊙️量(liàng)，Qt爲試驗(yan)管段中(zhong)渦街流(liu)量計的(de)測量值(zhi)。将譜分(fen)析和脈(mo)沖計數(shù)得到的(de)頻率值(zhi)和儀表(biǎo)㊙️系數分(fèn)别代入(ru)式（5）計算(suàn)Qt值。從圖(tú)中可🙇🏻以(yi)看出氣(qì)相含率(lü)的增加(jia)兩種測(cè)量方法(fǎ)得到的(de)誤差并(bìng)不相同(tóng)。當含氣(qi)率不高(gao)時，0<β<6%，譜分(fèn)析法的(de)平均誤(wù)‼️差爲1.226%，zui大(da)誤🥵差爲(wei)2.687%，脈沖計(jì)數法的(de)平均誤(wù)差爲1.583%，zui大(dà)🐕誤差爲(wei)2.898%，因此譜(pǔ)分析法(fa)與脈沖(chòng)💋計數法(fǎ)的測量(liang)誤差區(qu)别不大(dà)，譜分析(xi)沒有明(ming)顯的優(yōu)勢；在氣(qì)相含率(lü)進一步(bu)💚增加時(shí)，6%<β<14%，譜分析(xi)法的平(píng)均誤差(cha)🌏爲3.975%，zui大誤(wu)差爲14.058%，脈(mò)沖計💘數(shu)法的平(píng)㊙️均誤差(cha)爲20.053%，zui大誤(wù)差爲33.130%，脈(mò)沖計數(shu)的方法(fǎ)得✔️到的(de)測量誤(wù)差遠大(da)🔞于譜分(fèn)析方法(fǎ)。

    含氣液(ye)體測量(liàng)誤差産(chan)生的主(zhu)要原因(yin)是：在氣(qi)液兩相(xiang)流動中(zhōng)，由💁于氣(qi)泡對旋(xuán)渦發生(sheng)體的撞(zhuàng)擊作用(yòng)，氣泡對(dui)邊界🌈層(céng)和旋渦(wō)脫落的(de)影響，以(yǐ)及旋渦(wo)吸入氣(qì)泡使其(qí)強度減(jian)弱，使旋(xuán)渦脈沖(chong)🔅數缺失(shī)，缺失的(de)旋渦數(shù)不穩定(dìng)❌，使脈沖(chòng)計數方(fang)法測量(liàng)的誤差(chà)增大，而(ér)譜分析(xi)的方法(fa)☎️在一段(duàn)時域㊙️内(nei)得到主(zhu)頻譜作(zuo)爲渦街(jie)🌈頻率值(zhi)，減小🔴了(le)旋渦缺(quē)失對測(ce)量的影(yǐng)響。所以(yǐ)含氣液(yè)體流體(tǐ)計量中(zhong)譜分析(xi)🏃‍♀️方法要(yào)好于脈(mò)沖計數(shù)的方✨法(fa)。

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

    5　結(jie)束語

    從(cóng)試驗結(jié)果來看(kàn)，渦街流(liu)量計在(zai)測量混(hùn)有少量(liàng)氣體的(de)💯液體流(liú)⭕量時，測(cè)量誤差(chà)會顯著(zhe)增加。之(zhi)所以會(hui)✂️出現這(zhè)樣的情(qíng)況，一方(fāng)面，氣體(ti)在液體(tǐ)中會形(xíng)成氣泡(pao)，在旋渦(wo)發生🏒體(tǐ)的後部(bu)形成氣(qi)團，并且(qie)旋渦中(zhong)心會出(chu)現一個(ge)低壓區(qū)，吸入大(da)量質量(liang)較輕的(de)氣泡，從(cong)💘而削弱(ruò)了旋渦(wo)的能量(liang)，使壓電(diàn)傳感器(qi)檢測不(bu)到旋渦(wō)，導緻檢(jiǎn)測過程(cheng)中脈沖(chòng)缺失現(xiàn)象出現(xian)；另一方(fāng)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(tuō)落的擾(rǎo)動，進一(yi)步增🔱加(jia)了測量(liang)的誤差(chà)🚩。其它方(fāng)面，旋渦(wo)發生體(ti)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(hui)影響測(cè)量的結(jie)果。

    通過(guo)上述的(de)試驗結(jie)果及分(fèn)析表明(ming)，單相液(yè)體中混(hun)入少量(liang)的氣體(ti)時會導(dao)緻渦街(jiē)旋渦強(qiang)度變弱(ruò)和可靠(kào)性變差(chà)💰，在這種(zhǒng)條🌈件下(xià)測量時(shí)譜分析(xi)的方法(fa)在氣含(hán)率不大(dà)時（0<β<6%）與脈(mò)沖計數(shù)的方法(fǎ)差别不(bu)大，但随(suí)♌着氣含(hán)率的進(jin)一步增(zeng)加（6%<β<14%），譜分(fen)析的方(fāng)法要好(hao)于脈沖(chong)計數的(de)方法。

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