當流體(ti)流過阻擋(dǎng)體時會在(zai)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(hòu)渦街流量(liàng)計由于其(qí)諸多優點(dian)🈲得以在工(gōng)業領域廣(guang)泛應用[1]。      

    在(zai)單相流體(ti)介質條件(jian)下對渦街(jiē)流量計的(de)研究相對(dui)比較成熟(shu)♋，研究者通(tong)過試驗的(de)方法得到(dao)了大量有(yǒu)價值的試(shì)驗結果，并(bing)應🐪用到渦(wo)街流量計(jì)的開發中(zhōng)，使得🐉渦街(jie)流量計的(de)測量精度(du)、可靠性得(de)到了很大(da)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(ye)體管道中(zhōng)有時會混(hun)入少量的(de)氣體，被測(cè)流質變👨‍❤️‍👨成(cheng)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(xià)渦街⭐流量(liang)計測量特(te)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(qì)液兩相流(liu)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(bu)同截面含(hán)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(suí)截面含氣(qi)率🐆而變化(hua)的公式。李(li)永光的工(gōng)作主要是(shi)從流體力(li)學的角度(du)對氣📱液兩(liǎng)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(she)及到截面(miàn)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(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(xī)和脈沖計(jì)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(shì)驗裝置與(yǔ)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(shuǐ)和空氣組(zu)成，分别送(sòng)入管道混(hùn)和成氣液(yè)兩相流送(song)入試驗管(guan)段。試驗裝(zhuang)置如圖1所(suo)示。試驗裝(zhuang)置由♈空氣(qi)壓縮機、儲(chǔ)氣罐、蓄水(shui)罐、分離罐(guàn)、流量計、壓(ya)力♊變送器(qi)、溫度變送(sòng)器、工控機(jī)和各種閥(fa)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(chǔ)氣罐送入(rù)管道的氣(qì)體流量🔞。蓄(xù)水罐距離(lí)地面30m，提供(gòng)試驗所需(xu)的液相，其(qi)流量由标(biao)準流量計(jì)2測得。液相(xiàng)和氣相😍經(jing)混和器混(hun)和後送入(rù)試驗管段(duan)，zui後流入分(fen)離罐将水(shuǐ)和空氣進(jìn)行分離，空(kōng)氣由放氣(qì)閥排出，水(shuǐ)由水泵送(sòng)回蓄水罐(guan)循環使用(yong)。工控機對(duì)所🔞有儀表(biao)數據進行(hang)采集和顯(xian)示♍并對兩(liang)個電動調(diào)節閥進行(háng)控💰制，調節(jiē)氣相和液(ye)相的流量(liàng)。

    試驗所用(yòng)的渦街流(liu)量計選擇(ze)了一台應(yīng)用zui多的壓(ya)電式渦街(jiē)流量傳感(gǎn)器，其口徑(jing)的直徑D=50mm。将(jiang)渦街傳感(gǎn)📐器放置在(zài)水平直管(guan)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(bié)放在渦街(jie)流量傳感(gan)器上遊1D和(he)下遊10D的位(wèi)置，混和器(qi)安裝在渦(wō)街流量計(jì)上遊30D的位(wèi)置。

圖(tu)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(cè)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(zhi)，流量計1顯(xiǎn)示空氣注(zhu)入量的範(fàn)圍👨‍❤️‍👨爲0.3～1.8m³ /h，其壓(yā)力範圍爲(wèi)0.4～0.5MPa。

    目前工業(ye)中應用的(de)渦街流量(liàng)計大部分(fen)是脈沖輸(shū)出，即将旋(xuán)渦信号轉(zhuan)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(jiē)流量計主(zhǔ)要的缺點(diǎn)是易受噪(zao)聲幹擾，對(dui)于小流量(liàng)來說由于(yu)🐆信号微弱(ruo)難以與噪(zao)♻️聲區别。近(jìn)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(yǒu)譜分析功(gong)能♈的渦街(jie)流量計，這(zhè)🔱種方法提(ti)高了對微(wēi)弱渦街頻(pín)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(ye)現場使用(yòng)，試驗中同(tong)時用譜分(fen)析方法和(he)♋脈沖計數(shù)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(lu)流程圖如(rú)圖2所示。以(yi)5000Hz的頻率對(dui)A點🚩的模拟(nǐ)信号進行(hang)采樣，每次(ci)采樣10組數(shù)據，每組數(shu)據有👌5×10⁴ 個采(cai)樣點，将得(de)到的采樣(yàng)點進行傅(fu)裏葉變換(huan)得到不同(tong)測🏃🏻‍♂️量點💔渦(wo)街産生的(de)頻率，同時(shí)通過脈沖(chòng)計數的方(fāng)法對B點采(cai)樣。

圖(tu)2 渦街流量(liàng)計電路框(kuang)圖

    2 渦街流(liu)量計的标(biao)定

    将渦街(jie)流量計在(zai)标準水裝(zhuāng)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(jie)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(diàn)磁流量計(jì)。在每個流(liu)量測🏃🏻量點(diǎn)上的儀表(biao)系數用公(gong)式（1）計算，然(rán)後用式（2）計(ji)算得到zui終(zhōng)儀表系數(shù)K。Q_l 爲被測水(shui)的流量值(zhí)，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(xì)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(biao)系數。儀表(biǎo)系數的線(xian)性度E₁ 用式(shì)（3）來計算。

    譜分析(xī)和脈沖計(jì)數兩種不(bu)同方法計(ji)算出的渦(wo)街流量計(jì)儀表🈲系數(shù)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(fèn)别爲：1.2%和1.5%。圖(tú)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(xuǎn)流量範圍(wéi)内，儀表😍系(xì)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(guo)差别不大(da)，之間的誤(wù)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(you)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(liú)量計測量(liàng)的影響顯(xiǎn)著，譜分析(xī)和脈沖計(ji)數兩種方(fang)法随着氣(qi)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(shi)A點的模拟(nǐ)信号，如圖(tu)4（a～c）所示；經譜(pu)分析⁉️後得(de)到的頻率(lü)值，如圖4（d～f）所(suǒ)示；用脈沖(chong)計數方法(fa)得到的脈(mo)沖信号，如(ru)圖☀️4（g～i）所示。圖(tú)4顯示，當注(zhu)入氣量不(bú)大時，對渦(wō)街流量計(ji)的影響不(bu)大，無論是(shì)譜分析結(jié)果還是脈(mo)沖計數得(de)到的結果(guo)都比較🔞好(hǎo)。當注入的(de)氣量進一(yī)步增加時(shi)，渦⭕街原始(shi)信号強度(du)和穩定📱性(xìng)逐漸變差(chà)，渦街頻率(lǜ)信号會✉️被(bèi)幹擾信号(hao)所🛀🏻淹沒，反(fǎn)映到譜分(fen)析圖是，渦(wo)街頻率的(de)譜能量減(jiǎn)小，幹擾❗信(xin)号的譜能(neng)量加強🐪；對(duì)于脈沖信(xìn)号，會因🚩爲(wèi)一些旋渦(wo)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(wō)街發生頻(pín)率fs和fc的變(biàn)化情況。結(jie)果🈲顯示，對(duì)于不同的(de)水流量，當(dāng)注入的氣(qi)體流量增(zēng)加到一定(ding)範圍時，不(bú)🛀🏻能再檢測(ce)到渦街信(xìn)号；在一定(dìng)水✔️流量下(xià)，随着注氣(qi)量的增加(jia)譜分析得(dé)到的頻率(lǜ)值會♍變大(dà)，這是由于(yu)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(lü)值減小。因(yin)此在氣液(ye)兩相流下(xià)，譜分析比(bi)🔴脈沖❓計數(shu)法有優勢(shi)，它能在較(jiao)高的含氣(qi)量依然能(néng)檢測到旋(xuan)渦脫落的(de)頻率㊙️。

圖4 不同注(zhu)氣量時頻(pin)率信号圖(tu)

    4　渦街(jie)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(wu)差随氣相(xiàng)含率變化(huà)的情況，如(ru)圖5所示。其(qí)中δs爲譜分(fèn)析方法的(de)測量誤差(cha)，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(liàng)誤❄️差用式(shì)（4）來計算。其(qi)中Qs爲裝置(zhì)中标準表(biao)測量出的(de)✨管道總流(liu)量，Qt爲試驗(yàn)管段中渦(wō)街流量計(ji)的♈測量值(zhí)。将譜分析(xi)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(zhǒng)測量㊙️方法(fa)得到的誤(wu)差并不相(xiang)同。當含氣(qì)率不高時(shi)，0<β<6%，譜分析法(fǎ)的平均誤(wu)差爲1.226%，zui大誤(wù)差爲2.687%，脈沖(chòng)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(shù)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(bu)💘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(chà)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(xi)方法🌈。

    含氣(qi)液體測量(liang)誤差産生(shēng)的主要原(yuán)因是：在氣(qì)液兩相🏃流(liu)動中，由于(yú)氣泡對旋(xuán)渦發生體(tǐ)的撞擊作(zuo)用，氣泡對(dui)💘邊界層和(hé)旋渦脫落(luò)的影響，以(yǐ)及旋渦吸(xī)入氣泡使(shi)其強度減(jiǎn)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(fang)法測量的(de)誤差增大(dà)，而譜😘分析(xī)的方法在(zài)一段時域(yù)🐉内得到主(zhu)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(liang)中譜分析(xī)🆚方法要好(hao)于脈沖計(jì)數的方法(fǎ)。

圖5　不同氣(qi)相含率下(xià)渦街流量(liàng)計的測量(liang)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(liàng)氣體的液(ye)體流量時(shí)，測量誤差(chà)會顯著增(zēng)加。之所以(yǐ)會⭐出現這(zhè)樣🌐的情況(kuang)，一方面🌈，氣(qi)體在液體(tǐ)中會形成(chéng)氣🛀🏻泡，在旋(xuan)渦發生體(tǐ)的後💛部形(xing)成氣團，并(bing)♊且旋渦中(zhōng)心會出現(xian)一🚩個低壓(ya)區，吸入大(dà)量🐉質量較(jiao)輕的氣泡(pào)，從而削弱(ruo)了旋渦的(de)能量，使壓(ya)電傳感器(qi)檢測不到(dao)旋渦，導緻(zhi)檢測過程(cheng)中脈沖缺(que)失現象出(chū)現；另一方(fang)面💯，由于旋(xuán)渦的能量(liàng)降低，會🔅增(zeng)加流場本(ben)身對旋渦(wō)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(shēng)體🔱後的氣(qì)團，旋渦中(zhōng)心區氣泡(pào)的含量👌、旋(xuán)渦外的氣(qì)泡量、氣泡(pào)的大小等(deng)等都會影(ying)響測量的(de)結🈲果。

    通過(guò)上述的試(shì)驗結果及(jí)分析表明(ming)，單相液體(ti)中混入少(shǎo)量的🍓氣體(ti)時會導緻(zhì)渦街旋渦(wo)強度變弱(ruo)和可靠性(xìng)變差，在這(zhè)種條件下(xia)測量時譜(pu)分析的方(fang)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(da)，但随㊙️着氣(qì)含率的進(jin)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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