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(wō)，這🔱種現象(xiang)稱爲卡門(men)渦街。20世紀(jì)60年代日本(ben)橫河公司(si)首先利用(yòng)卡門渦街(jie)現象研制(zhi)出渦街流(liu)量計，此後(hòu)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(tǐ)介質條件(jian)下對渦街(jie)流量計的(de)研究相對(duì)🍉比較成🔞熟(shu)，研究者通(tong)過試驗的(de)方法得到(dao)了大量有(you)價值的試(shi)驗💛結果，并(bìng)應用到渦(wo)街流量計(ji)的開發中(zhong)，使得渦街(jiē)流量計的(de)☁️測量精度(du)、可靠性得(dé)到了很大(dà)的提高[2，3]。工(gong)業測量中(zhōng)經常會有(you)這樣的情(qíng)況出現：液(ye)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(yú)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(te)性🥵的文章(zhang)不多。西🏃‍♀️安(an)交通大學(xue)的李永光(guāng)[4-6]曾經在氣(qi)液兩相流(liu)的豎直管(guǎn)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(hán)氣率下渦(wo)街的結構(gòu)以及斯特(tè)勞哈爾數(shu)的變化進(jin)行了大量(liàng)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(hua)的公式。李(lǐ)永光的工(gong)作主要是(shi)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(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(guan)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(xī)和脈沖計(ji)數兩種測(cè)量方式得(dé)到，通過比(bǐ)較發現在(zài)液含氣流(liú)體條件下(xia)譜分析要(yào)明顯優于(yu)脈沖計數(shu)的方式。

    1　試(shi)驗裝置與(yǔ)試驗方法(fǎ)

    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(zǔ)成，分别送(song)入管‼️道混(hùn)和成氣液(yè)兩相流送(sòng)入試驗管(guan)段。試驗裝(zhuāng)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(sòng)器、工控機(jī)🐕和各種閥(fá)⛹🏻‍♀️門組成。

    空(kong)氣壓縮機(jī)将空氣壓(yā)縮後送入(ru)儲氣罐，标(biāo)準流量計(jì)1計量氣💛液(ye)💰混合前儲(chǔ)氣罐送入(rù)管道的氣(qì)體流量。蓄(xù)水⭐罐距離(li)地面30m，提供(gong)試驗所需(xu)的液相，其(qí)流量由标(biāo)準流量計(jì)2測得。液相(xiang)♻️和氣相經(jing)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(jìn)行分離，空(kōng)氣由放氣(qi)閥排出，水(shui)由水泵送(sòng)回蓄水罐(guàn)循環使用(yong)。工控機對(dui)所有儀表(biao)數據進⭕行(hang)采集和顯(xian)示并對🥵兩(liǎng)個電動調(diào)節閥🎯進行(háng)控制，調節(jie)氣相和液(ye)相的流量(liang)。

    試驗所用(yong)的渦街流(liú)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(jìng)的直徑D=50mm。将(jiang)渦街傳感(gǎn)器放置在(zai)水平直管(guǎn)段上🍉，其上(shàng)下遊直管(guan)段長度分(fèn)☁️别爲30D和20D。壓(yā)力變送器(qì)和溫度變(bian)送器分别(bié)放在渦街(jiē)流量傳感(gǎn)器上遊1D和(hé)下遊10D的位(wèi)👌置，混和器(qì)安裝在渦(wō)街流量計(jì)上遊30D的位(wei)置。

圖(tu)1 氣液兩相(xiàng)流試驗裝(zhuang)置

    1.2 試驗方(fāng)法    

    通過流(liú)量計2的測(ce)量和調節(jie)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(zhì)，流量計1顯(xian)示空氣注(zhu)🏃入量的範(fàn)圍📞爲0.3～1.8m³ /h，其壓(ya)力範圍爲(wei)0.4～0.5MPa。

    目前工業(ye)中應用的(de)渦街流量(liang)計大部分(fen)是脈沖輸(shu)出，即将旋(xuán)渦🔞信号轉(zhuǎn)化爲脈沖(chòng)信号，通過(guo)對脈沖信(xin)💜号計數計(ji)算出旋渦(wō)脫落的頻(pin)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(dui)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(chū)現了以DSP爲(wei)核心，具有(yǒu)🐪譜分析功(gōng)能的渦街(jie)流量計，這(zhè)種方法提(tí)高了對微(wei)弱渦街頻(pin)⭕率信号的(de)識别[7-8]。考慮(lǜ)到這兩種(zhong)不同類型(xíng)渦街流量(liang)計在工業(ye)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(jiē)流量計的(de)轉換電路(lu)流程圖如(ru)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(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(yang)點進行傅(fu)裏葉變換(huan)得到不同(tóng)測量點渦(wo)街産生的(de)頻率，同時(shí)通過脈沖(chong)計數的方(fāng)法對B點采(cǎi)⭕樣。

圖(tú)2 渦街流量(liang)計電路框(kuàng)圖

    2 渦街流(liu)量計的标(biāo)定

    将渦街(jiē)流量計在(zai)标準水裝(zhuang)置上，分别(bié)用頻譜分(fen)析和脈沖(chong)計數的方(fang)法進行标(biao)定，流體介(jiè)質爲水未(wei)加氣體，采(cai)用的标準(zhǔn)傳感器💯爲(wèi)精度等級(jí)爲0.2級的電(dian)磁流量計(jì)。在每個流(liú)量測量點(dian)上的儀表(biǎo)系數用公(gōng)式（1）計算，然(ran)後用式（2）計(jì)算得到zui終(zhōng)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(lǜ)，k爲❌每個測(cè)量點得到(dao)的儀表系(xi)數。k_max 、k_min 分别爲(wèi)試驗流量(liang)範圍内得(dé)到的zui大與(yǔ)zui小的儀表(biǎo)系數。儀表(biǎo)系數的線(xiàn)性度E₁ 用式(shi)（3）來計算。

    譜分析(xī)和脈沖計(jì)數兩種不(bú)同方法計(jì)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(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(xi)數随水流(liú)量值變化(huà)的曲線，可(kě)以看出，在(zài)試驗所☀️選(xuǎn)流🚶量範🔅圍(wei)内✏️，儀表系(xi)數🚩近似于(yú)一個常數(shù)，頻譜分析(xi)的結果與(yǔ)脈沖計數(shu)所得到的(de)試驗結果(guǒ)差别不大(da)，之間的誤(wù)差範圍💯爲(wèi)0.109%～0.688%。可見被測(cè)介質全部(bu)爲水時兩(liǎng)種測量方(fāng)法并沒有(yǒu)明顯的區(qū)别。

圖(tu)3　渦街流量(liang)計儀表系(xì)數

    3　渦街信(xin)号分析

    試(shi)驗發現，氣(qi)相的加入(rù)對渦街流(liu)量計測量(liang)的影響顯(xian)著，譜分析(xī)和脈沖計(jì)數兩種方(fāng)法随着氣(qì)相注入的(de)增加其表(biǎo)現🔞也不同(tóng)。圖4反映了(le)水流量12m³ /h時(shi)，注入不同(tóng)氣含率β時(shi)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(chòng)計數方法(fa)得🥰到的脈(mò)沖信号👌，如(ru)圖4（g～i）所示。圖(tú)4顯示，當注(zhu)入氣量🍓不(bu)大時，對渦(wo)街流量計(jì)⭕的影響💔不(bú)大，無🐇論是(shi)譜分析結(jié)果還是脈(mo)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(xing)逐漸變差(cha)，渦🤞街頻率(lǜ)信号會被(bei)幹擾信号(hao)所❤️淹沒，反(fǎn)映到譜分(fèn)析圖是，渦(wo)街頻率的(de)譜能量減(jian)小，幹擾信(xìn)号的譜能(neng)量加強⛷️；對(duì)于脈沖信(xin)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(shēng)的頻率。

    表1反映(ying)了不同流(liú)量點Q_l 下，随(suí)着注氣量(liàng)Qg的增加，渦(wō)街發生頻(pin)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(ce)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(de)到的頻率(lǜ)值會變大(dà)，這是✨由于(yu)總的體積(jī)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(de)到的頻率(lǜ)值減小。因(yīn)此在氣液(ye)兩相流下(xia)，譜分析比(bi)脈沖計數(shu)法有🐕優勢(shì)，它👌能在較(jiao)高的含氣(qi)量依然能(neng)檢測到‼️旋(xuán)渦脫落的(de)頻率。

圖4 不同注(zhu)氣量時頻(pin)率信号圖(tú)

    4　渦街(jie)流量計的(de)誤差分析(xi)

    将試驗數(shu)據進行處(chu)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(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(liàng)計的測量(liang)誤差用式(shi)（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(wo)街流量計(jì)的測量值(zhí)。将譜♍分析(xī)和脈沖✂️計(ji)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(zhí)。從圖中可(ke)以看出氣(qì)相含率的(de)增加兩種(zhong)測量方法(fǎ)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(fǎ)的平均誤(wu)差爲1.226%，zui大誤(wu)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(pu)分析法🎯與(yu)脈沖計數(shu)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(han)率進一步(bù)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(cha)爲14.058%，脈沖計(jì)數法的平(ping)均誤差爲(wèi)20.053%，zui大誤差爲(wei)33.130%，脈🏒沖計數(shu)的方法得(dé)到的測量(liang)誤差遠大(dà)👈于譜分析(xī)方法。

    含氣(qì)液體測量(liàng)誤差産生(shēng)的主要原(yuán)因是：在氣(qì)液兩🤞相流(liu)動中，由于(yu)氣泡對旋(xuan)渦發生體(ti)的撞擊作(zuò)用，氣泡對(dui)邊界🥵層和(he)旋渦脫落(luo)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(mò)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(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(yǐ)📐含氣液體(ti)流體🐆計量(liàng)中🧡譜分析(xī)方法要好(hao)于脈沖計(jì)數的👨‍❤️‍👨方法(fa)。

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

    5　結束(shù)語

    從試驗(yan)結果來看(kan)，渦街流量(liang)計在測量(liang)混有少量(liàng)氣體的液(yè)🌍體流🔴量時(shi)，測量誤差(chà)會顯著增(zēng)加。之所以(yi)會💁出現這(zhe)樣的情況(kuang)，一👄方面，氣(qì)體在液體(ti)中會形成(chéng)氣泡，在旋(xuán)渦發生體(tǐ)的後部形(xing)成氣團，并(bìng)且旋渦中(zhong)心會出現(xiàn)一個低壓(yā)區💔，吸入大(da)量質量較(jiao)輕的氣泡(pao)，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(zhì)檢測過程(cheng)中脈沖缺(que)失✉️現象出(chū)現；另一方(fāng)面，由于旋(xuán)渦的能量(liang)降低，會增(zēng)加流場本(běn)身對旋渦(wō)脫落😘的擾(rǎo)動，進一步(bù)增加了測(cè)量的誤差(chà)。其它方面(mian)，旋渦發生(sheng)體後的氣(qi)團，旋💘渦中(zhong)心區氣泡(pào)的含量、旋(xuán)渦🏃外的氣(qi)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(shi)驗結果及(ji)分析表明(ming)，單相液體(tǐ)中混入少(shǎo)💋量📧的氣體(ti)時會導緻(zhi)渦街旋渦(wo)強度變弱(ruò)和可🈲靠性(xìng)變差，在這(zhe)種條件下(xia)測量時譜(pǔ)分析的方(fāng)法在氣含(hán)率不大時(shí)（0<β<6%）與脈沖計(jì)數的方法(fǎ)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(ji)數的方法(fǎ)。

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