當流體(tǐ)流過阻擋體(tǐ)時會在阻擋(dang)體的兩側交(jiāo)替産生旋渦(wo)，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(sī)首先利🈲用卡(kǎ)門渦街現象(xiang)研制出渦街(jie)流量計，此後(hou)渦街流量計(ji)由于其諸多(duō)優點得以在(zài)工業領域廣(guang)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(jiū)者通過試驗(yàn)的方法得到(dao)了大量有價(jià)值的試驗🔴結(jié)果，并應🌂用到(dao)渦街流量計(jì)的開發中，使(shǐ)得渦街流量(liàng)計的測量精(jīng)度、可靠性得(de)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(qíng)況出現：液體(ti)管道中有時(shi)會混入㊙️少量(liang)的氣體，被測(ce)流質變成了(le)氣液兩相流(liú)。由于氣液兩(liǎng)相流的複雜(za)性，研究這種(zhong)條件✏️下渦街(jie)流量計測量(liàng)特性的文章(zhang)不多。西安交(jiao)通大學的李(li)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(xíng)狀的渦街發(fā)🔆生體進行了(le)研究，對不同(tong)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(chu)了斯特勞哈(ha)♋爾數随截面(mian)含氣率而變(biàn)化👅的公式。李(li)永光的工作(zuo)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(shì)驗結果涉及(jí)到截面含氣(qì)率的測量[4]。本(běn)文通過試驗(yàn)從測量的角(jiǎo)度，研究了水(shuǐ)平管道中含(han)有少量氣💋體(tǐ)的液體💃🏻條件(jian)下渦街流量(liang)計測量結果(guo)的變化情況(kuang)，并且測量結(jie)果分别用譜(pǔ)分⛱️析和脈沖(chong)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(chong)計數的方式(shi)。

    1　試驗裝置與(yǔ)試驗方法

    1.1　試(shi)驗裝置

    試驗(yan)介質由已測(cè)定流量的水(shuǐ)和空氣組成(cheng)，分别送入管(guǎn)道混和成氣(qi)液兩相流送(sòng)入試驗管段(duan)。試驗裝🔱置如(ru)圖1所示。試驗(yan)裝置由空氣(qi)壓縮機、儲氣(qì)罐、蓄水罐、分(fèn)離罐、流量計(jì)、壓力變送器(qì)、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(liàng)計✔️1計量✏️氣液(ye)混合前儲氣(qi)罐送入管道(dào)的氣體流量(liang)。蓄水罐距離(li)地面30m，提供試(shì)⁉️驗所需的液(yè)相，其流量由(yóu)标準流量計(ji)2測得。液相和(hé)氣相經混和(hé)器混和後送(song)入試驗管段(duan)，zui後流入分離(li)罐将水和空(kong)氣⛱️進行分離(li)☁️，空氣由放氣(qì)閥排出，水由(you)㊙️水泵送回蓄(xù)水罐循環使(shi)用。工控機對(duì)所🐆有儀表數(shù)據進行采集(jí)和顯示并對(duì)兩個電動調(diao)節閥進行控(kòng)制，調節氣相(xiang)和液相的流(liú)量🐆。

    試驗所用(yòng)的渦街流量(liàng)計選擇了一(yi)台應用zui多的(de)壓電式渦🈲街(jiē)流量傳感器(qì)，其口徑的直(zhi)徑D=50mm。将渦街傳(chuán)感器放置在(zài)水平直管段(duàn)上，其上下遊(you)直管段長度(du)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(xia)遊10D的位置，混(hùn)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(xiàng)流試驗裝置(zhi)

    1.2 試驗方法    

    通(tong)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(shi)空氣注入量(liang)的範圍爲0.3～1.8m³ /h，其(qi)壓力範圍爲(wèi)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(shu)出，即将旋渦(wō)信号轉化爲(wei)脈沖信号，通(tong)過對脈沖信(xìn)号計數計算(suàn)出旋渦脫落(luò)的頻率。脈沖(chòng)輸出的渦街(jie)流量計主要(yào)的缺點是易(yì)受噪聲幹擾(rǎo)，對于小流量(liàng)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(chù)理技術的發(fa)展，出現了以(yǐ)DSP爲核心，具有(yǒu)譜分析功能(neng)的渦街流量(liang)計，這種方法(fǎ)提高了對微(wei)弱渦街頻率(lǜ)信号的識别(bié)[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(chang)使用，試驗中(zhōng)同時用譜分(fen)析方法和脈(mò)沖計數方法(fa)對渦街頻率(lǜ)進行計算，并(bing)對兩種方法(fǎ)進行了比較(jiao)。

    渦街流量計(ji)的轉換電路(lù)流程圖如圖(tú)2所示。以5000Hz的頻(pin)率對A點的模(mó)⛱️拟信号進行(háng)采樣，每次采(cǎi)樣10組數據，每(mei)組數據有5×10⁴ 個(gè)采樣點，将得(de)到的采樣點(diǎn)進行傅裏葉(yè)變換得到不(bu)同💞測量點渦(wo)街産生的頻(pin)率，同時通過(guo)脈沖計數的(de)方法對B點采(cǎi)樣。

圖2 渦街流(liu)量計電路框(kuàng)圖

    2 渦街流量(liàng)計的标定

    将(jiang)渦街流量計(ji)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(zhì)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(shi)（2）計算得到zui終(zhōng)儀☎️表系數K。Q_l 爲(wei)被測水的流(liu)量值，f爲每一(yi)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。k_max 、k_min 分别爲(wei)試驗流量範(fan)圍内得到的(de)zui大與zui小的儀(yí)表系🙇🏻數。儀表(biǎo)系數的線性(xìng)度E₁ 用式（3）來計(ji)算。

    譜分析和(he)脈沖計數兩(liǎng)種不同方法(fa)計算出的渦(wō)街🌈流量計儀(yí)🏃‍♀️表系數分别(bié)爲：Ks=10107p/m³ ；Kc=10143p/m³ ；計算得到(dao)的儀表系數(shu)線性度分别(bié)爲：1.2%和1.5%。圖3爲儀(yí)表系數随❤️水(shui)流量值變化(hua)的曲線，可以(yǐ)看出，在試驗(yan)所選流量範(fan)圍内，儀表系(xi)數📞近似于一(yī)個常數，頻譜(pu)分析的結果(guo)與脈🐆沖計數(shù)所得到的試(shì)驗結果差别(bie)不大，之間的(de)誤差範圍爲(wei)0.109%～0.688%。可見被測介(jiè)質全🚩部爲水(shui)時🔴兩種測量(liang)方法并沒有(you)明顯的區别(bié)。

圖3　渦街流量(liang)計儀表系數(shu)

    3　渦街信号分(fen)析

    試驗發現(xian)，氣相的加入(rù)對渦街流量(liang)計測量的影(ying)響顯著，譜分(fèn)析📞和脈沖計(ji)數兩種方法(fǎ)随着氣相注(zhu)入的增加其(qí)表現也不💘同(tong)。圖4反映了水(shui)流量12m³ /h時，注入(rù)不同氣含率(lǜ)β時A點的模拟(nǐ)信号，如圖4（a～c）所(suo)示；經譜分析(xi)🐕後得到的頻(pin)率值，如圖4（d～f）所(suǒ)示；用脈沖計(jì)數方法得到(dào)的脈沖信号(hao)，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(liàng)計的影響不(bu)大，無論是譜(pǔ)分析結果還(hái)是🌏脈沖計數(shu)🌈得到的結果(guo)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(bèi)幹擾信号所(suo)💛淹沒☂️，反映到(dào)譜⭐分析圖是(shì)，渦街頻率的(de)譜能量減小(xiǎo)，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(hao)減弱，形成脈(mo)沖🆚缺失現象(xiàng)，而不能真實(shi)地反映渦街(jie)産生的頻率(lü)。

    表1反映了不(bu)同流量點Q_l 下(xià)，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(kuang)。結果💘顯示，對(dui)于不同的水(shui)流量，當注入(rù)的氣體流量(liàng)增加到一定(dìng)範圍時，不能(neng)再檢測到渦(wō)街信号；在一(yī)定水流量下(xia)，随着注氣量(liang)的🧡增加譜📐分(fen)析得到的頻(pin)率值會變大(da)，這是由于總(zǒng)的👈體積流量(liàng)增加了，而🔅脈(mò)沖計數法則(zé)由于産生脈(mò)沖缺失現象(xiàng)所得到的頻(pin)率值減小。因(yīn)☂️此在氣液兩(liang)相🧑🏾‍🤝‍🧑🏼流下，譜分(fen)析比🌈脈沖🧑🏾‍🤝‍🧑🏼計(ji)數法有優勢(shì)，它能在較高(gao)的含氣量依(yi)然能檢測到(dào)旋渦脫落的(de)頻率。

圖4 不同(tong)注氣量時頻(pin)率信号圖

    4　渦(wō)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(chà)随氣相👄含率(lǜ)變化的情況(kuàng)，如圖5所示。其(qi)中δs爲譜分析(xi)方📞法的測量(liang)誤差，δc爲脈沖(chong)計數方法的(de)測量誤差。渦(wo)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(liang)出的管道總(zǒng)流💃🏻量，Qt爲試驗(yan)管段中渦🔞街(jie)流量計的測(cè)量值。将譜分(fèn)析和脈沖計(jì)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(yi)看出氣相含(hán)率的增加兩(liǎng)種測量方法(fa)得到的誤差(cha)并不相同。當(dang)含氣率不高(gao)時，0<β<6%，譜分析法(fǎ)的平均誤差(chà)爲1.226%，zui大誤差爲(wei)2.687%，脈沖計數法(fa)的平均誤差(chà)爲1.583%，zui大誤差爲(wei)2.898%，因此譜分析(xi)法與脈沖計(ji)數法的測量(liang)誤差區别不(bu)大，譜分析沒(méi)有明顯的優(yōu)勢；在氣相含(hán)率進一步增(zēng)加✊時，6%<β<14%，譜分析(xī)法的平均誤(wu)差爲3.975%，zui大誤差(chà)爲14.058%，脈沖計數(shu)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(dào)的測量誤差(cha)遠大于譜分(fèn)析方法。

    含氣(qi)液體測量誤(wù)差産生的主(zhu)要原因是：在(zai)氣液兩相流(liú)動❓中，由于氣(qi)泡對旋渦發(fā)生體的撞擊(ji)作用，氣泡對(duì)邊界層和旋(xuán)渦脫落的影(yǐng)響，以及旋渦(wo)吸入氣🏃‍♂️泡使(shi)其💘強度減弱(ruò)，使旋渦脈沖(chòng)數缺失，缺失(shi)的旋渦🔴數不(bú)穩定，使脈沖(chong)計數方法測(ce)量的誤差增(zeng)大，而譜分析(xi)的方法在一(yī)段時域💋内得(dé)到主頻譜作(zuò)爲渦街頻率(lü)值，減小了旋(xuan)渦缺失對測(ce)量的影響。所(suǒ)以含氣液體(ti)流體❗計量中(zhōng)譜分析方法(fa)要好于脈沖(chòng)計數的方✍️法(fǎ)。

圖5　不同氣相(xiang)含率下渦街(jiē)流量計的測(cè)量誤差

    5　結束(shù)語

    從試驗結(jie)果來看，渦街(jiē)流量計在測(cè)量混有少量(liang)氣體👌的💘液體(tǐ)流量時，測量(liàng)誤差會顯著(zhe)增加。之所以(yi)會出現這樣(yàng)的情🌈況，一方(fang)面，氣體在液(yè)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(zhong)心會出現一(yī)個低壓區，吸(xī)入大量質量(liàng)較輕的氣泡(pào)，從而削弱了(le)旋渦的能量(liang)，使壓電傳感(gǎn)器檢測不到(dao)旋🔞渦，導緻檢(jian)測過程中脈(mo)沖缺失現象(xiàng)出現；另一方(fang)面，由于旋渦(wo)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(jiā)了測量的誤(wù)差♉。其它方面(miàn)，旋渦發生體(ti)後的氣團，旋(xuan)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(huì)影響測量的(de)結⭐果。

    通過上(shang)述的試驗結(jie)果及分析表(biǎo)明，單相液體(ti)中混入少量(liang)的❤️氣體時會(hui)導緻渦街旋(xuan)渦強度變弱(ruo)和可靠性變(bian)差，在這🌐種條(tiáo)⭐件下測量時(shí)譜分析的方(fang)法在🌍氣含率(lǜ)不大時（0<β<6%）與脈(mo)沖計數的方(fang)法差别不大(da)，但随着氣含(hán)率的進一步(bu)增加（6%<β<14%），譜分析(xi)的方法要好(hao)于脈🆚沖計數(shu)的方法。

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