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(xiang)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(yòng)卡門渦街(jiē)現象研制(zhì)出渦街流(liú)量計，此後(hòu)渦街流🧑🏽‍🤝‍🧑🏻量(liang)計由于其(qí)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(jian)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(shi)驗結果，并(bing)應用到渦(wo)街流量計(jì)的開發中(zhong)，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(gong)業測量中(zhong)經常會🚶‍♀️有(yǒu)這樣的💚情(qing)況出現：液(yè)體管道中(zhōng)有時會混(hun)入少量的(de)氣體☔，被測(ce)流質變成(cheng)了氣液兩(liang)相流。由于(yú)氣液兩相(xiang)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(zhāng)不多。西安(an)交通大學(xue)的李永光(guang)[4-6]曾經在氣(qi)液兩相流(liu)的豎直管(guan)道上，對不(bú)同形狀的(de)渦街發💃🏻生(sheng)體進行了(le)研☀️究，對不(bu)同截面含(han)氣率下渦(wo)街🈲的結構(gòu)以及斯✊特(te)勞哈爾數(shu)的變化進(jìn)行了大量(liang)的🏃試驗研(yán)究，并給出(chu)了斯特👌勞(lao)哈爾數随(sui)截面含氣(qì)率而變化(huà)的公式。李(lǐ)永光的工(gōng)作主要♍是(shi)從流體力(li)學的角度(dù)對氣液兩(liǎng)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(yǒu)少量氣體(ti)的液體條(tiao)件下渦街(jie)🔴流量計測(cè)量🚶‍♀️結果的(de)變化情況(kuàng)，并且測量(liàng)結果分别(bié)用譜分🔴析(xī)和脈沖計(ji)數兩種測(ce)量方式得(dé)到，通過🙇🏻比(bi)較發現在(zai)液含氣流(liu)體條件下(xià)譜分🎯析要(yào)明顯優于(yú)脈沖計🔴數(shu)的方式。

    1　試(shì)驗裝置與(yu)試驗方法(fǎ)

    1.1　試驗裝置(zhi)

    試驗介質(zhì)由已測定(ding)流量的水(shuǐ)和空氣組(zǔ)成，分别送(song)入管道混(hun)和成氣液(ye)兩相流送(song)入試驗管(guan)段。試驗裝(zhuang)置如圖1所(suǒ)示。試驗裝(zhuāng)😄置由空氣(qi)壓縮機、儲(chu)氣罐、蓄水(shui)罐、分離罐(guan)、流量🤩計、壓(yā)力變送器(qi)、溫度變送(song)器、工控機(ji)和各種閥(fa)門組成。

    空(kong)氣壓縮機(jī)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(yè)🔞混合前儲(chu)氣罐送入(ru)管道的氣(qì)體流量。蓄(xù)水罐距離(li)地💛面30m，提🈲供(gòng)試🈲驗所需(xu)的液相，其(qí)流量由💞标(biao)準流❄️量計(jì)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(shui)和空氣進(jin)行分離🆚，空(kōng)氣由放氣(qi)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(biǎo)數據進行(háng)采集和顯(xiǎn)示并對兩(liang)個電動調(diao)節閥進行(hang)控制，調節(jie)氣❗相和液(ye)相的流☎️量(liang)。

    試驗所用(yong)的渦街流(liu)量計選擇(zé)了一台應(ying)用zui多的壓(yā)電式渦街(jie)🏃🏻‍♂️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(guan)段上，其上(shang)下遊直管(guǎn)段長度分(fen)别爲30D和20D。壓(ya)力變送器(qi)和溫度變(bian)送器分💞别(bié)放在渦街(jie)流量傳感(gan)器上遊1D和(he)❌下遊10D的位(wei)置，混和器(qì)安裝在渦(wō)街流量計(ji)上遊30D的位(wei)置。

圖(tú)1 氣液兩相(xiàng)流試驗裝(zhuang)置

    1.2 試驗方(fang)法    

    通過流(liu)量計2的測(cè)量和調節(jiē)電動閥2，水(shuǐ)的流量取(qu)6、8、10、12m³ /h四個流量(liang)值。通過電(diàn)動閥1控制(zhi)，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(fèn)是脈沖輸(shu)出，即将旋(xuán)渦👨‍❤️‍👨信号轉(zhuǎn)化爲脈沖(chòng)信号，通過(guò)對脈沖信(xìn)号計數計(jì)算出旋渦(wo)📞脫落的頻(pín)率。脈沖輸(shū)出的渦街(jie)流量計主(zhu)要的缺點(diǎn)是易受噪(zào)聲幹擾，對(duì)于小流量(liàng)♻️來說由于(yu)信号微弱(ruò)🔴難以與噪(zào)聲區别。近(jin)幾年随着(zhe)💋數字信号(hao)處🌐理技術(shù)的發展，出(chu)現了以DSP爲(wèi)核心，具有(you)㊙️譜分析功(gōng)能的渦街(jie)流量計，這(zhe)種方法提(ti)高了對微(wei)弱渦街頻(pín)率信号☁️的(de)識别[7-8]。考慮(lǜ)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(wo)街頻率進(jìn)行計算，并(bìng)對兩種方(fang)法進行了(le)比較。

    渦街(jiē)流量計的(de)轉換電路(lu)流程圖如(rú)圖2所示。以(yi)5000Hz的頻率對(duì)⚽A點的模拟(ni)信号進行(hang)采樣，每次(ci)采樣10組數(shù)據，每組數(shù)❓據有5×10⁴ 個采(cǎi)樣點，将得(dé)到的采樣(yang)點進行傅(fù)裏葉變換(huan)得到不同(tóng)❄️測量點渦(wō)街産生的(de)頻率，同時(shí)通過脈沖(chòng)計數的方(fang)法對B點采(cai)樣。

圖(tú)2 渦街流量(liang)計電路框(kuàng)圖

    2 渦街流(liú)量計的标(biāo)定

    将渦街(jiē)流量計在(zai)标準水裝(zhuāng)置上，分别(bié)用頻譜分(fen)析♈和脈沖(chòng)計🛀數的方(fang)法進行标(biao)定，流體介(jie)質爲水未(wei)加氣體✉️，采(cai)用的标準(zhun)傳感器爲(wei)精度等級(jí)爲0.2級的電(dian)磁流量計(ji)。在每個流(liu)量測量點(diǎn)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(shu)K。Q_l 爲被測水(shuǐ)的流量值(zhí)，f爲每一個(ge)流量點得(de)到的頻率(lü)🤞，k爲每🍉個測(ce)👌量點得到(dào)的儀表系(xi)數。k_max 、k_min 分别爲(wèi)試驗流量(liang)範圍内得(de)到的zui大與(yǔ)zui小的儀表(biǎo)系數。儀表(biǎo)系數☂️的線(xian)性度E₁ 用式(shi)（3）來計算。

    譜分析(xi)和脈沖計(jì)數兩種不(bú)同方法計(ji)算出的渦(wo)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(liú)量值變化(hua)的曲線，可(kě)以看出，在(zài)試驗所選(xuan)流量範圍(wei)内，儀表系(xi)數近似于(yu)一個常數(shu)，頻譜分析(xī)的結果與(yǔ)脈沖計數(shu)🔴所得到🙇🏻的(de)試驗結果(guo)差别不大(da)，之間的誤(wu)差範圍爲(wèi)0.109%～0.688%。可見被測(ce)介質全部(bu)爲水時💚兩(liang)種測量方(fang)法并沒有(you)明顯的區(qu)别。

圖(tu)3　渦街流量(liang)計儀表系(xì)數

    3　渦街信(xin)号分析

    試(shì)驗發現，氣(qì)相的加入(ru)對渦街流(liu)量計測量(liang)的影響顯(xiǎn)著，譜分析(xi)和脈沖計(jì)數兩種方(fang)法随着氣(qì)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(shí)A點的模拟(ni)信号，如圖(tu)4（a～c）所示；經👈譜(pǔ)分析後得(de)到的頻率(lü)值，如圖4（d～f）所(suo)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(bu)大時，對渦(wō)街流量計(jì)的影響💞不(bu)大，無論是(shì)譜分析結(jié)果還是💃🏻脈(mò)沖計數得(dé)到的結果(guo)都比較好(hǎo)。當注入的(de)氣量進一(yī)步增加時(shí)，渦街原始(shi)信号強度(du)和穩定性(xìng)逐漸變差(cha)，渦街頻率(lü)信号會被(bèi)幹擾信号(hao)所淹沒，反(fan)映到譜🧡分(fèn)析圖是，渦(wo)街頻率的(de)譜能量減(jian)小，幹擾信(xin)🚩号的譜能(neng)量加強；對(dui)于脈沖信(xìn)号，會🐉因爲(wèi)一些旋💁渦(wō)信号減弱(ruò)，形成脈沖(chòng)缺失現象(xiàng)，而不能真(zhen)實地反映(ying)渦街産生(sheng)的頻率。

    表1反映(ying)了不同流(liu)量點Q_l 下，随(suí)着注氣量(liang)Qg的增加，渦(wō)街發生頻(pín)率fs和fc的變(bian)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(dìng)🏃‍♂️範圍時，不(bú)能再檢測(cè)到渦街信(xìn)号；在一定(ding)水流量下(xia)🎯，随着注氣(qì)量的增加(jiā)譜分析得(dé)到的♋頻率(lǜ)值會變大(da)，這是由于(yú)總的體積(ji)流量增加(jiā)了，而👉脈沖(chòng)計數法則(zé)由于産生(sheng)脈沖缺失(shi)現象所得(dé)到的頻率(lü)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(shì)，它能在較(jiào)高的含氣(qì)量依然能(néng)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(tú)

    4　渦街(jiē)流量計的(de)誤差分析(xī)

    将試驗數(shu)據進行處(chù)理，得到了(le)渦街流量(liàng)計測量誤(wù)差随氣相(xiang)🛀🏻含率變化(huà)的情況，如(ru)圖5所示。其(qí)中δs爲譜分(fen)析方法的(de)測量誤差(chà)，δc爲脈沖計(ji)數方法的(de)測量誤差(cha)。渦街流量(liang)計的測量(liang)誤差用式(shì)（4）來計算🈲。其(qí)中Qs爲裝置(zhì)中标準表(biǎo)測量出的(de)管道總流(liú)量，Qt爲試驗(yan)管段中渦(wō)街流量計(ji)的測量值(zhí)。将譜分析(xi)和脈沖計(jì)數得到的(de)頻率值和(hé)儀🈲表系數(shu)分别代入(ru)式（5）計算Qt值(zhí)。從圖中可(ke)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(xiang)同。當含氣(qi)♌率不高時(shi)，0<β<6%，譜分析法(fa)♋的平均誤(wù)差爲1.226%，zui大誤(wu)差爲2.687%，脈沖(chong)計🌈數法的(de)平均誤差(cha)爲1.583%，zui大🙇🏻誤差(chà)爲2.898%，因此譜(pu)分析法與(yu)脈沖計數(shu)法的測量(liàng)誤差區别(bié)不大，譜分(fèn)析💘沒有明(ming)顯的優勢(shì)；在氣相含(hán)率進一步(bù)增加時，6%<β<14%，譜(pu)分析法的(de)平均誤差(cha)爲3.975%，zui大誤差(cha)爲14.058%，脈沖計(ji)☎️數法的平(píng)均誤差爲(wei)20.053%，zui大誤差爲(wei)33.130%，脈沖計數(shù)的方法得(dé)到的測量(liàng)誤差遠大(dà)于譜分析(xi)方法。

    含氣(qì)液體測量(liàng)誤差産生(shēng)的主要原(yuan)因是：在氣(qì)液兩相流(liu)動中，由于(yú)氣泡對旋(xuán)渦發生體(ti)的撞擊作(zuò)用，氣泡對(dui)邊界層和(he)旋渦脫落(luò)的影響，以(yi)及旋渦吸(xī)入氣🙇🏻泡使(shǐ)其強度減(jian)弱，使旋渦(wo)脈沖數缺(quē)失，缺失的(de)旋渦數不(bu)穩定💘，使脈(mo)沖計數方(fāng)法測🌈量的(de)誤差增大(da)，而譜🌈分析(xī)的方法在(zai)一段時域(yù)😍内得到主(zhǔ)頻🔞譜作爲(wèi)渦街📐頻率(lǜ)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(xī)方法要好(hao)♻️于脈沖計(ji)數的‼️方法(fa)。

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

    5　結束(shu)語

    從試驗(yàn)結果來看(kan)，渦街流量(liang)計在測量(liàng)混有少量(liang)氣體的🌈液(yè)體流量時(shi)，測量誤差(chà)會顯著增(zeng)加。之所以(yǐ)會出現這(zhe)樣的情👈況(kuàng)，一方面，氣(qi)體在液體(tǐ)中會形成(cheng)氣泡，在旋(xuan)渦發生體(ti)的後🍉部形(xing)成氣團，并(bing)且旋渦中(zhōng)心會出現(xiàn)一個低壓(ya)區，吸入大(da)量質量較(jiào)輕的氣泡(pao)，從🐪而削弱(ruo)了旋渦的(de)能量，使壓(ya)電傳感器(qì)♌檢測不到(dao)旋渦，導緻(zhi)檢測過程(chéng)中脈沖缺(que)失⛹🏻‍♀️現象出(chu)現；另一方(fāng)面，由于旋(xuán)渦的能量(liang)降低，會增(zeng)加流場本(ben)身對旋渦(wo)脫落的擾(rǎo)動，進一步(bu)增加了測(cè)量的誤差(cha)。其🚩它方面(mian)，旋✏️渦發生(sheng)體後的氣(qì)團，旋渦中(zhong)心👣區氣泡(pào)的含量㊙️、旋(xuan)渦外的氣(qì)泡量、氣泡(pào)的大小等(děng)等都會影(ying)響測量的(de)結📐果。

    通過(guo)上述的試(shì)驗結果及(ji)分析表明(míng)，單相液體(ti)中混入少(shao)量🏒的氣體(ti)時會導緻(zhi)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(pu)分析的方(fāng)法在氣含(hán)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(jia)（6%<β<14%），譜分析的(de)方法要好(hǎo)于脈沖計(jì)數的方法(fa)。

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