當流體(ti)流過阻擋體(tǐ)時會在阻擋(dang)體的兩側交(jiāo)替産生旋渦(wō)，這種現象稱(cheng)爲卡門渦街(jiē)。20世紀60年代日(rì)本橫河公司(si)首先利用卡(kǎ)門渦街現象(xiang)研制出渦街(jiē)流量計，此後(hou)渦街流量計(jì)由于其諸多(duo)優點得以在(zai)工業領域廣(guǎng)泛💋應用[1]。
在單(dān)相流體介質(zhi)條件下對渦(wō)街流量計的(de)研究相🈲對比(bi)較🔱成熟，研究(jiu)者通過試驗(yan)的方法得到(dao)了大量✏️有價(jia)值的試驗結(jié)果，并應用到(dào)渦街流量計(ji)的開發中，使(shi)得渦街流量(liang)計的測量精(jīng)度、可靠性得(dé)到了很大的(de)提高[2，3]。工業測(cè)量中經常會(hui)有這樣的💞情(qing)況出現👅：液體(tǐ)管道中有時(shí)會混入少量(liang)的氣體🤞，被測(ce)流質變成了(le)氣液兩相流(liu)。由于氣液兩(liǎng)相流的複雜(za)性，研究這種(zhǒng)條件下渦街(jiē)流量計測量(liang)特性的文章(zhang)不多。西安交(jiāo)通大學的李(lǐ)永光[4-6]曾經在(zai)氣液兩🔴相流(liú)的豎直管道(dào)上，對不同形(xing)狀的渦街發(fa)生體進行了(le)研究，對不同(tóng)截面含氣率(lǜ)下渦街的結(jie)構以及斯特(tè)勞哈爾數的(de)變化進行了(le)大量的☁️試驗(yan)研究，并給出(chū)了斯特勞哈(ha)爾數随截面(mian)含氣率而變(bian)化的公式。李(lǐ)永光的工作(zuò)主要是從流(liu)體力學的角(jiǎo)度對氣⚽液兩(liang)相流中🔞渦街(jie)現象的機理(lǐ)進行了研究(jiū)，其給出的試(shi)驗結果🐇涉及(jí)到截面含氣(qì)率的測量[4]。本(ben)文通過試驗(yàn)從測量🏒的角(jiao)度，研究了水(shui)平管道中含(han)有少量氣體(tǐ)的液體🔴條件(jiàn)下渦街✉️流量(liàng)計測量結果(guǒ)💜的變化情況(kuàng)，并且測量結(jie)果分别用譜(pu)分析和脈沖(chòng)計數♻️兩種測(ce)量方式得到(dao)，通過比較發(fā)現在液含♉氣(qi)流體條件下(xia)譜分析要明(ming)顯優于脈沖(chòng)計數的方式(shì)。
1 試驗裝置與(yu)試驗方法
1.1 試(shi)驗裝置
試驗(yàn)介質由已測(cè)定流量的水(shuǐ)和空氣組成(cheng)，分别送入管(guan)道混和成氣(qi)液兩相流送(song)入試驗管段(duan)。試驗裝置如(rú)📱圖1所示。試驗(yan)裝置由空氣(qi)壓縮機、儲氣(qi)罐、蓄水罐、分(fen)離罐、流量計(ji)、壓力變送器(qi)✔️、溫度變送器(qi)、工控機和各(ge)種閥🥵門組成(cheng)。
空氣壓縮機(ji)将空氣壓縮(suo)後送入儲氣(qì)罐，标準流量(liang)計📱1計量氣液(ye)混合前儲氣(qì)罐送入管道(dào)的氣體流量(liang)。蓄水罐距離(li)地面30m，提供試(shi)驗所需的液(yè)相，其流量由(you)标準流量計(ji)2測得。液相🧡和(hé)氣相經混和(hé)器混和後送(sòng)入試驗管段(duan)，zui後流入分離(li)罐将水和空(kōng)氣🌂進行分離(lí)，空氣由放氣(qi)閥排出，水由(yóu)水泵送回蓄(xu)水罐循環使(shi)㊙️用。工控機對(duì)所有儀表數(shu)據進行采集(ji)和顯示并對(duì)👉兩個電動調(diào)節閥🤟進行控(kong)制，調節氣相(xiang)和液相的流(liú)量。
試驗所用(yòng)的渦街流量(liang)計選擇了一(yī)台應用zui多的(de)壓電💁式☀️渦街(jie)流量傳感器(qì)，其口徑的直(zhi)徑D=50mm。将渦街傳(chuan)感器放置在(zai)水平👈直管段(duàn)上，其上下遊(you)直管段長度(dù)分别爲30D和20D。壓(ya)力變送器和(hé)🐕溫度變送器(qì)分别放在渦(wō)街流量傳感(gǎn)器上遊1D和下(xià)遊10D的位置，混(hun)和器安裝在(zài)渦街流量計(ji)上遊30D的位置(zhì)。
圖1 氣液兩相(xiang)流試驗裝置(zhì)
1.2 試驗方法
通(tōng)過流量計2的(de)測量和調節(jiē)電動閥2，水的(de)流量取6、8、10、12m3 /h四個(gè)流量值。通過(guo)電動閥1控制(zhi)，流量計1顯示(shì)空氣注👉入量(liang)的範圍爲0.3～1.8m3 /h，其(qi)壓力範圍爲(wei)0.4～0.5MPa。
目前工業中(zhong)應用的渦街(jiē)流量計大部(bù)分是脈沖輸(shū)出，即将旋渦(wo)信号轉化爲(wei)脈沖信号，通(tōng)過對脈沖信(xin)号計🍉數計算(suàn)出旋渦脫落(luo)的頻率。脈沖(chòng)輸出的渦街(jiē)流量計主要(yao)的缺點是易(yì)受噪聲幹擾(rao)，對于小流量(liang)來說由于信(xìn)号微弱難以(yi)與噪📐聲區别(bié)。近幾年随着(zhe)♉數字信号處(chu)理技術的發(fa)🌈展，出現了以(yǐ)DSP爲核心，具有(you)譜分析功能(neng)🚶♀️的渦街流量(liàng)計，這種方法(fǎ)提高了對微(wēi)弱渦街頻率(lü)信号的識别(bie)[7-8]。考慮到這兩(liǎng)種不同類型(xing)⛹🏻♀️渦街流量計(jì)在工業🔞現場(chǎng)使用，試驗中(zhōng)✨同時用譜分(fen)析方法和脈(mò)沖計數方⚽法(fǎ)對渦街頻率(lü)進行計算，并(bìng)對兩種方法(fa)進行🌍了比較(jiao)。
渦街流量計(jì)的轉換電路(lù)流程圖如圖(tu)2所示。以5000Hz的頻(pin)率對A點的模(mo)拟信号進行(háng)采樣，每次采(cai)樣10組數據，每(mei)組數據有5×104 個(ge)采樣點，将得(de)到的采樣點(dian)進行傅裏葉(ye)變換得到不(bú)同測量點渦(wo)街産生的頻(pín)率，同時通過(guò)脈沖計數的(de)方法對🈲B點采(cai)樣。
圖2 渦街流(liu)量計電路框(kuang)圖
2 渦街流量(liang)計的标定
将(jiāng)渦街流量計(jì)在标準水裝(zhuāng)置上，分别用(yong)頻譜分析和(hé)脈🏃🏻沖計🔞數的(de)方法進行标(biao)定，流體介質(zhi)爲水未加氣(qì)體，采用的标(biāo)準傳感器爲(wèi)精度等級爲(wèi)0.2級的電磁流(liú)量計。在每個(gè)流量測量點(diǎn)上的儀表系(xì)數用公式✔️（1）計(jì)算，然後用式(shì)（2）計算得到zui終(zhōng)儀表系數K。Ql 爲(wèi)被測水的流(liú)量值，f爲每一(yī)個流量點得(dé)到的頻率，k爲(wei)✂️每個測量點(dian)得到的儀表(biao)系數。kmax 、kmin 分别爲(wèi)試驗流量範(fàn)圍内得到的(de)zui大與zui小的儀(yi)表系數。儀表(biao)系數的線性(xìng)度E1 用式（3）來計(jì)算。
圖3 渦街流量(liang)計儀表系數(shù)
3 渦街信号分(fèn)析
試驗發現(xiàn)，氣相的加入(ru)對渦街流量(liàng)計測量的影(yǐng)響顯著，譜🧑🏾🤝🧑🏼分(fèn)析和脈沖計(jì)數兩種方法(fǎ)随着氣相注(zhù)入的增加其(qí)表現也不同(tóng)。圖4反映了水(shui)流量12m3 /h時，注入(ru)不同氣含率(lǜ)β時A點的模拟(nǐ)信号，如圖4（a～c）所(suǒ)示；經譜分析(xi)🤞後得到的頻(pín)率值，如圖4（d～f）所(suǒ)示；用脈沖計(ji)數方法得到(dao)的脈沖信号(hào)，如圖4（g～i）所示。圖(tú)4顯示，當注入(ru)氣量不大時(shi)，對渦街🔞流量(liang)計的影響不(bú)大，無論是譜(pǔ)分析結果還(hái)是脈沖計數(shù)得到的結果(guǒ)都比較好。當(dāng)注入🏒的氣量(liang)進一步增加(jiā)時，渦街原始(shi)信号㊙️強度和(hé)穩定性逐漸(jian)變差🔆，渦街頻(pin)率信号會被(bei)幹擾信号所(suǒ)🍓淹沒💘，反映到(dao)譜分析圖是(shi)，渦街🙇♀️頻率的(de)譜能量減小(xiao)，幹擾信号的(de)譜能量加強(qiang)；對于脈沖信(xìn)号，會🔞因爲一(yi)些旋渦信号(hào)減弱，形成脈(mo)沖缺失現象(xiang)，而不能真實(shi)地反😍映渦街(jiē)産生的頻率(lǜ)。
表1反映了不(bu)同流量點Ql 下(xia)，随着注氣量(liàng)Qg的增加，渦街(jie)發生頻率fs和(he)fc的變化情✔️況(kuàng)。結果顯示，對(dui)于不同的水(shuǐ)流量，當注入(ru)的氣體流量(liàng)增加到一定(dìng)範圍✨時，不能(neng)再檢測到渦(wo)街信号；在一(yī)定水🏃流量下(xià)，随着注氣量(liàng)的增加譜分(fen)析得到的頻(pín)率值會變大(da)，這是由于總(zong)的體積流量(liàng)增加了，而脈(mo)沖計數法🚶♀️則(ze)由于産生脈(mò)沖缺失現象(xiàng)所得到的頻(pin)率值減小。因(yin)此在氣液兩(liang)相💔流下，譜分(fen)析比脈沖計(jì)數法有優勢(shi)，它能在較高(gāo)的含氣量依(yi)然能檢測到(dào)旋渦脫落的(de)頻率🚶♀️。
4 渦(wo)街流量計的(de)誤差分析
将(jiāng)試驗數據進(jin)行處理，得到(dào)了渦街流量(liàng)計測量誤差(cha)✊随氣相含率(lü)變化的情況(kuàng)，如圖5所示。其(qí)中δs爲譜分析(xī)方法的測量(liang)👨❤️👨誤差，δc爲脈沖(chòng)計數方法的(de)測量誤差。渦(wō)街流量計的(de)測量誤差用(yòng)式（4）來計算✊。其(qi)中Qs爲裝置中(zhong)标準表測量(liàng)出的管道總(zong)流量，Qt爲試驗(yàn)管段中渦🐅街(jiē)流量計的測(ce)量值。将譜分(fen)析和脈沖計(ji)數得到的🈲頻(pin)率值和儀🙇🏻表(biao)系數分别代(dài)入式（5）計算Qt值(zhi)。從圖🐕中可以(yǐ)看出氣相含(han)率的增加兩(liang)種測量方法(fǎ)得到的誤⭕差(cha)并不相同。當(dāng)含氣率不高(gao)時，0<β<6%，譜分析法(fa)的平均誤差(chà)爲1.226%，zui大誤差爲(wèi)2.687%，脈沖計數法(fa)的平均誤差(cha)爲1.583%，zui大☁️誤差爲(wèi)2.898%，因此譜分析(xi)法與脈沖計(jì)數法的測量(liàng)♍誤差區别😘不(bú)大，譜分析沒(méi)有明顯的優(you)勢；在氣相含(hán)率進一步增(zeng)加時，6%<β<14%，譜分析(xī)法的平均誤(wù)差🛀🏻爲3.975%，zui大誤差(cha)爲14.058%，脈沖計數(shù)法的平均誤(wù)差爲20.053%，zui大誤差(chà)爲33.130%，脈沖計數(shu)的方法得到(dao)的測量誤差(chà)遠大于譜分(fen)析方法🚶♀️。
圖5 不同氣相(xiang)含率下渦街(jie)流量計的測(ce)量誤差
5 結束(shù)語
從試驗結(jié)果來看，渦街(jiē)流量計在測(cè)量混有少量(liang)氣體☀️的液體(ti)流量時，測量(liang)誤差會顯著(zhe)增加。之所以(yǐ)會出現這樣(yang)的情況，一方(fang)面，氣體在液(ye)體中會形成(chéng)氣💋泡，在旋渦(wo)發生體的後(hòu)部形成氣團(tuan)，并🐆且旋渦中(zhōng)心會出現一(yi)個低壓區，吸(xī)入大量質量(liang)較輕的氣泡(pao)，從而削弱了(le)旋渦的能量(liang)，使壓電傳感(gan)器檢測不到(dào)旋🤞渦，導緻檢(jiǎn)測過程中脈(mo)沖缺失現象(xiang)出現；另一方(fāng)面，由于旋渦(wō)的能量降低(dī)，會增加流場(chang)本身對旋渦(wō)脫💜落的擾動(dòng)，進一步增加(jia)了測量的誤(wu)差。其它方面(miàn)，旋😍渦發生體(ti)後的氣團，旋(xuán)渦中心區氣(qi)泡的含量🏃、旋(xuán)渦外的氣泡(pao)量、氣泡的大(dà)小等等都會(hui)影響測量的(de)結果。
通過上(shàng)述的試驗結(jié)果及分析表(biao)明，單相液體(tǐ)中混㊙️入少量(liang)的氣體時會(huì)導緻渦街旋(xuan)渦強度變弱(ruò)和可靠性💋變(bian)差，在這種條(tiáo)㊙️件下測量時(shi)譜分析的方(fāng)法在氣含率(lü)✌️不大時（0<β<6%）與脈(mò)沖計數的🈚方(fang)法差❗别不大(da)，但随着氣含(han)率的進一步(bù)增加（6%<β<14%），譜分析(xī)的方法要好(hao)于脈沖計數(shu)的方法。
[1] PankaninGL.Thevortexflowmeter：Variousmethodsofinvestigatingphenomena[J].MeasSciTechnol，2005，16：R1-R16.
[2]BentleyJP，MuddJW.Vortexsheddingmechanismsinsingleanddualbluffbodies[J].FlowMeasurementandInstrumentation，2003（14）：23-31.
[3]BentleyJP，BensonRA.Designconditionsforopti2maldualbluffbodyvortexflowmeter[J].FlowMeasInstrum，1993（4）：205-213.
[4]李永光(guang)，林宗虎，王樹(shu)衆.氣液兩相(xiàng)流體渦街中(zhong)旋渦結構的(de)特性研究[J].西(xī)安交通大學(xué)學報，1996，30（2）：36-41.
[5]李永光(guang)，林宗虎.氣液(ye)兩相渦街的(de)數值計算[J].力(li)學與實踐，1997，19（3）：14-18.
[6]李(lǐ)永光，林宗虎(hu).氣液兩相渦(wo)街穩定性的(de)研究[J].力學☎️學(xué)報，1998，30（2）：138-144.
[7]徐科軍，呂(lǚ)迅宏，陳榮保(bao)，等.基于DSP、具有(you)譜分析功能(néng)的🤞渦💋街流量(liàng)計信号處理(lǐ)系統[J].儀器儀(yí)表學報，2001，22（3）：255-264.
[8]孫宏(hóng)軍，張濤，淩箐(qing).基于松弛陷(xiàn)波周期圖法(fǎ)的渦街流✔️量(liàng)計信号處理(lǐ)技術的研究(jiu)[J].儀器儀表學(xué)報，2004，25（5）：577-581
›•
•