當(dang)流體流過阻擋(dang)體時會在阻擋(dǎng)體的兩側交替(tì)産🌐生📧旋渦，這種(zhǒng)現象稱爲卡門(men)渦街。20世紀60年代(dài)日本橫河公司(sī)首先利用卡門(men)渦📞街現象研制(zhì)出渦街流量計(jì)，此後渦街流量(liàng)計由于其諸多(duō)優點得以在工(gōng)業領域廣泛🏃🏻‍♂️應(ying)用[1]。      

    在單相流體(tǐ)介質條件下對(dui)渦街流量計的(de)研究相對比較(jiao)成熟，研究者通(tong)過試驗的方法(fa)得到了大量有(you)價🔆值的♋試驗♋結(jié)果，并應用到渦(wo)街流量計的開(kāi)發🌈中，使得渦街(jiē)流☔量計的測量(liàng)精度、可靠性得(de)到了很大的提(ti)高[2，3]。工業測量中(zhōng)經常會有這樣(yang)的情況出現：液(ye)體管道中有時(shí)會混入少量的(de)氣體，被測流質(zhì)變♋成了氣液兩(liǎng)相流。由于氣液(yè)兩相流的複雜(za)性⛹🏻‍♀️，研究這種條(tiáo)件下渦街流量(liang)計🌏測量特性的(de)文章不多。西✉️安(ān)交通大學的李(li)永㊙️光[4-6]曾經在氣(qì)液兩相✉️流的豎(shù)直管道上，對✨不(bú)同形狀的渦街(jiē)發生體進行了(le)研究，對不同截(jié)面含氣率下渦(wo)街的結構以及(ji)斯✂️特勞哈爾🆚數(shu)的變化進行了(le)大量的試驗研(yán)究，并給出了斯(si)特勞哈爾數随(suí)截面含氣率而(er)變化的公式。李(lǐ)永光的工作主(zhu)要♻️是從流體力(li)學的角度🔞對氣(qì)❗液兩相流中渦(wo)街現象的機理(lǐ)進行了研究，其(qi)給出的試驗結(jié)果涉及到截面(miàn)含氣率🈲的測量(liang)[4]。本文通過試驗(yan)從測量的角度(dù)，研究了水平管(guan)道🈲中含有少量(liàng)氣體的液體條(tiáo)件下渦街流量(liàng)計測量結果的(de)變化情況，并且(qie)測♊量結果分别(bie)用譜分析和脈(mò)沖計數兩種測(ce)量方式得到，通(tōng)過🈲比較發現在(zai)液含氣流體條(tiao)件下譜分析要(yao)明顯優于脈沖(chòng)計數的方式。

    1　試(shì)驗裝置與試驗(yan)方法

    1.1　試驗裝置(zhì)

    試驗介質由已(yǐ)測定流量的水(shuǐ)和空氣組成，分(fen)别送入管道混(hùn)和成氣液兩相(xiang)流送入試驗管(guǎn)段。試驗裝置如(ru)圖1所示。試驗裝(zhuāng)置由空氣壓縮(suo)機、儲氣罐、蓄水(shuǐ)罐、分離罐、流量(liang)計、壓力變送器(qì)🔞、溫度變送器、工(gōng)控機和各種閥(fa)門組成。

    空氣壓(ya)縮機将空氣壓(yā)縮後送入儲氣(qi)罐，标準流量計(ji)1計量氣液混合(he)前儲氣罐送入(ru)管道的氣體流(liu)量。蓄水罐距離(lí)地⭐面30m，提供試驗(yàn)所需的液相，其(qí)流量由标準流(liu)量計2測得。液相(xiàng)和氣相經混和(he)器混和後送入(ru)試驗管🈚段，zui後流(liu)入💯分離罐将🔴水(shui)和空氣進行分(fen)離，空氣由放氣(qi)閥排出，水由水(shui)泵送回蓄✍️水罐(guàn)循環使用。工控(kong)機對所🌈有儀表(biǎo)數據進行采集(jí)和顯示并對兩(liǎng)個電動調節閥(fá)進行控制，調節(jiē)氣相和液相的(de)流量✔️。

    試驗所用(yòng)的渦街流量計(jì)選擇了一台應(ying)用zui多的壓電🔱式(shi)渦🐕街流量傳感(gan)器，其口徑的直(zhi)徑D=50mm。将渦街傳感(gan)器放置在水平(ping)直管段上，其上(shang)下遊直管段長(zhǎng)度分别爲30D和20D。壓(ya)力變送器和溫(wen)度變👄送器分别(bie)放在渦街流量(liàng)傳感🐅器上遊1D和(hé)下遊10D的位⚽置，混(hun)和器安裝在渦(wō)街流量計上🌏遊(yóu)30D的位置。

圖1 氣液兩相(xiàng)流試驗裝置

    1.2 試(shi)驗方法    

    通過流(liú)量計2的測量和(he)調節電動閥2，水(shui)的流量取6、8、10、12m³ /h四個(gè)流量值。通過電(diàn)動閥1控制，流量(liang)計1顯示空氣注(zhù)入量的範圍爲(wèi)0.3～1.8m³ /h，其壓力範圍爲(wei)0.4～0.5MPa。

    目前工業中應(yīng)用的渦街流量(liang)計大部分是脈(mò)沖輸出🚩，即将🐆旋(xuán)💯渦信号轉化爲(wei)脈沖信号，通過(guo)對脈沖信号計(ji)數計🚶算出旋渦(wō)脫落的頻率。脈(mò)沖輸出的渦街(jiē)流量計主要的(de)缺點是易受噪(zao)聲幹擾，對于小(xiǎo)流量來說由于(yu)信号微弱難以(yi)與噪聲區别。近(jìn)幾年随着數字(zì)信号處理技術(shù)的發展，出現了(le)以💋DSP爲核心，具有(yǒu)譜分析功能的(de)渦街流量計，這(zhe)♋種方法提高了(le)對微🐆弱渦街頻(pin)率信号的識别(bie)[7-8]。考慮到這💰兩種(zhong)不同類型渦街(jie)流量計在工業(yè)現場使用，試驗(yan)中同❌時用譜分(fen)析方法和脈沖(chòng)計數方法對渦(wō)街頻率進行計(ji)算，并對兩種方(fāng)法進行了比較(jiào)。

    渦街流量計的(de)轉換電路流程(chéng)圖如圖2所示。以(yi)5000Hz的頻❌率對A點的(de)模拟信号進行(háng)采樣，每次采樣(yàng)10組數據，每組數(shu)據有☀️5×10⁴ 個采樣點(dian)，将得到的采樣(yang)點進行傅裏葉(ye)變換得到不同(tóng)🏃🏻‍♂️測量點渦街産(chan)生的頻率，同時(shi)通過脈沖計數(shu)的方法對B點采(cǎi)樣。

圖(tu)2 渦街流量計電(dian)路框圖

    2 渦街流(liú)量計的标定

    将(jiāng)渦街流量計在(zài)标準水裝置上(shàng)，分别用頻譜分(fèn)析和脈🙇🏻沖計數(shu)的方法進行标(biao)定，流體介質爲(wei)水未加氣體，采(cai)用的标準傳感(gǎn)器爲精度等級(ji)爲0.2級的電磁流(liú)量計。在每個流(liú)量測量點上的(de)儀表系數用公(gong)式（1）計算，然後用(yòng)式（2）計算⚽得到zui終(zhong)儀表系數K。Q_l 爲被(bèi)測水的流量值(zhí)，f爲每一個流量(liàng)點得到的頻率(lǜ)♻️，k爲每個測量點(dian)得到的儀表系(xì)數。k_max 、k_min 分别爲試驗(yan)流量範圍内得(dé)到的zui大與zui小的(de)儀表系數。儀表(biao)系🈲數的線性度(dù)E₁ 用式（3）來計算。

    譜分析(xi)和脈沖計數兩(liǎng)種不同方法計(jì)算出的渦街☂️流(liú)量計儀表系數(shu)分别爲：Ks=10107p/m³ ；Kc=10143p/m³ ；計算得(de)到的儀表系數(shu)線性度分别爲(wei)：1.2%和1.5%。圖3爲儀表系(xì)‼️數随水流量值(zhi)變化的曲線，可(kě)以看出，在試驗(yan)所選流量範圍(wei)内，儀表系數🛀🏻近(jin)似于一個常數(shu)，頻譜分👅析的結(jie)果與脈沖計數(shu)所得到的試驗(yàn)結果差别不💋大(dà)，之間的誤差範(fan)圍爲0.109%～0.688%。可見被測(cè)介質全部爲水(shui)時兩種測量方(fang)法并沒有明顯(xian)的區别。

圖3　渦街流量(liàng)計儀表系數

    3　渦(wō)街信号分析

    試(shì)驗發現，氣相的(de)加入對渦街流(liu)量計測量的影(ying)響顯著，譜分析(xi)和脈沖計數兩(liǎng)種方法随着氣(qì)相注入的增👈加(jia)其表現也不同(tong)。圖4反映了水流(liú)量12m³ /h時，注入不同(tong)氣含率β時A點的(de)模拟信号，如圖(tu)4（a～c）所示；經💜譜分析(xi)🍓後得到的頻率(lü)值，如圖4（d～f）所示；用(yòng)脈沖計數方法(fǎ)得🌍到的脈沖信(xin)号，如圖4（g～i）所示。圖(tú)4顯示，當注入氣(qì)量不大時💔，對渦(wō)街流量計的影(ying)響⭕不大，無論是(shì)譜分析結果還(hai)是脈沖計數得(dé)到的結果都比(bǐ)較好。當注入的(de)氣量進一步增(zēng)加時，渦街原始(shǐ)信号強度和穩(wen)定性逐漸變差(chà)，渦🌈街頻率信号(hào)會被幹擾信号(hào)所淹沒❓，反映到(dao)譜分析圖✂️是，渦(wō)街頻率的譜🙇‍♀️能(néng)量減小，幹擾💚信(xìn)号的譜能量加(jiā)強；對于脈沖信(xin)号，會因爲一些(xiē)旋渦信号減弱(ruo)，形成脈沖缺失(shi)現🚶象，而不能真(zhēn)實地反映渦街(jie)産生的頻率。

    表1反映(ying)了不同流量點(dian)Q_l 下，随着注氣量(liàng)Qg的增加，渦街發(fa)生頻率fs和fc的變(bian)化情況。結果顯(xian)示，對于不同的(de)水流量，當注入(rù)的氣體流💋量增(zēng)加到一定範圍(wei)時，不能再檢測(cè)到渦街信号；在(zài)一定水流量下(xià)，随着注氣量的(de)增加譜分析得(de)到的👨‍❤️‍👨頻率值會(hui)變大，這是由于(yú)總的體積流量(liang)❌增加了，而脈沖(chong)計數法♈則由于(yu)産生脈沖缺失(shi)現💜象所得到的(de)👣頻率值減小。因(yin)此在氣液兩相(xiang)☀️流下，譜分析比(bi)脈沖計數法有(you)優勢，它能在較(jiào)高的含氣量依(yi)然能檢測到旋(xuán)渦脫落的頻率(lü)。

圖4 不(bú)同注氣量時頻(pín)率信号圖

    4　渦街流量(liang)計的誤差分析(xi)

    将試驗數據進(jìn)行處理，得到了(le)渦街流量計測(ce)量誤差随氣相(xiàng)含率變化的情(qíng)況，如圖5所示。其(qi)中δs爲譜分析方(fāng)法的測量誤差(cha)，δc爲脈沖計數方(fang)法的測量誤差(chà)。渦街流量計的(de)測量誤差用式(shi)🙇🏻（4）來計算。其中Qs爲(wèi)裝置中标準表(biǎo)💘測量出的管道(dao)總流量，Qt爲試驗(yàn)管段中渦街流(liú)量計的測量值(zhi)。将譜分析和脈(mo)沖計數得到的(de)頻率值和儀表(biǎo)系數分别代入(rù)🈲式（5）計算Qt值。從圖(tú)✊中可以看出氣(qi)相含率㊙️的增加(jia)兩種測量方法(fǎ)得到的誤差并(bìng)不相同。當含氣(qì)率不高時，0<β<6%，譜分(fen)析法的平均誤(wù)差爲1.226%，zui大誤差爲(wèi)2.687%，脈沖計數法的(de)平均誤差爲1.583%，zui大(da)誤差爲2.898%，因此譜(pu)分析法與脈沖(chòng)計數法的測量(liang)誤差區别不大(dà)，譜分析沒有明(míng)顯的優勢；在氣(qì)相含率進一步(bù)增加🔴時，6%<β<14%，譜分析(xi)法的平均誤差(cha)爲3.975%，zui大誤差爲14.058%，脈(mo)沖計數法的平(píng)均誤差爲20.053%，zui大誤(wu)差爲33.130%，脈沖計🌍數(shu)的方法得到的(de)測量誤差遠大(da)于譜分析方法(fa)。

    含氣液體測量(liàng)誤差産生的主(zhu)要原因是：在氣(qi)液兩㊙️相流🚩動中(zhōng)，由🐕于氣泡對旋(xuan)渦發生體的撞(zhuàng)擊作用，氣泡對(dui)邊界層和旋渦(wo)脫落的影響，以(yǐ)及旋渦吸入氣(qì)泡使其強度減(jian)弱，使旋㊙️渦脈沖(chòng)數缺失，缺失的(de)旋渦數不穩定(dìng)，使脈沖計數方(fāng)法測✨量的誤差(chà)增大，而譜分析(xi)的方法在一段(duàn)時域内得到主(zhu)頻🚩譜作爲渦街(jie)頻率值，減小了(le)⚽旋渦缺失對測(cè)量的影響。所以(yi)含氣液體流體(ti)🌏計量中😄譜分析(xi)方法要好于脈(mo)沖計數的🌐方法(fǎ)。

圖5　不同氣(qì)相含率下渦街(jiē)流量計的測量(liang)誤差

    5　結束語

    從(cong)試驗結果來看(kan)，渦街流量計在(zài)測量混有少量(liang)氣體的液📞體流(liú)量時，測量誤差(chà)會顯著增加。之(zhi)所以會出現🔞這(zhè)樣的情況，一方(fāng)面，氣體在液體(tǐ)中會形成氣泡(pào)，在旋渦發生體(ti)的後部形成氣(qi)團，并🛀且旋渦中(zhōng)心會出現一個(ge)低壓區，吸入大(da)量質量較輕的(de)氣泡，從🌂而削弱(ruo)了旋渦的能量(liàng)，使壓電傳感器(qì)檢測不到旋🏃‍♂️渦(wō)，導緻檢測過程(cheng)中脈沖缺失🔅現(xiàn)象出現；另一🌈方(fāng)面，由于旋渦💜的(de)能量降低，會🐕增(zēng)加流場本身對(dui)旋渦脫落的擾(rao)動，進一步增加(jia)了測量的誤差(chà)。其它方面，旋渦(wo)發生體後的氣(qì)團，旋渦中心區(qu)氣泡的含量、旋(xuan)渦外的氣泡量(liang)、氣泡🌈的大小等(děng)等都會影響測(cè)量的結💋果。

    通過(guò)上述的試驗結(jie)果及分析表明(ming)，單相液體中混(hùn)入少量的氣👉體(ti)時會導緻渦街(jiē)旋渦強度變弱(ruo)和可❌靠性變差(cha)，在這種條件下(xià)☎️測量時譜分析(xī)的方法在氣含(hán)率不大時（0<β<6%）與脈(mo)沖計數的🔞方法(fǎ)差♊别不大，但随(sui)😘着氣含率🈲的進(jin)一步增加（6%<β<14%），譜分(fèn)♻️析的方法🈲要好(hǎo)于脈🈲沖計數的(de)方法。

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