當流體(tǐ)流過阻擋(dang)體時會在(zai)阻擋體的(de)兩側交替(tì)産生🛀旋渦(wo)，這種現象(xiang)稱爲卡門(mén)渦街。20世紀(jì)60年代日本(ben)橫河公⁉️司(sī)首👨‍❤️‍👨先利用(yòng)卡門渦㊙️街(jiē)現象研制(zhi)出渦街流(liú)量計，此後(hou)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(zai)單相流體(ti)介質條件(jiàn)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(dào)了大量有(you)價值的試(shì)驗結果，并(bìng)應用到渦(wo)街流量計(ji)的開發中(zhōng)，使得⭐渦街(jie)流⚽量計的(de)測量精度(du)、可靠性得(dé)到了很大(da)的提高[2，3]。工(gong)業測量中(zhong)經常會有(you)這樣的情(qíng)況出現♋：液(yè)體管道中(zhong)有時會混(hùn)入少量的(de)氣體，被測(cè)流質變成(cheng)了氣液兩(liang)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(tè)性的文章(zhang)不多。西安(ān)交通大學(xué)的李永光(guāng)[4-6]曾經在氣(qi)液兩⭐相流(liú)的豎直管(guǎn)道上，對不(bu)同形狀的(de)渦街發🏒生(shēng)體進行了(le)研🧑🏾‍🤝‍🧑🏼究，對不(bu)同截面含(han)氣率✍️下渦(wo)街的結構(gou)以及斯特(tè)勞哈爾🌈數(shu)的變化進(jìn)行了大量(liang)的試驗研(yán)究，并給出(chū)了斯特❓勞(láo)哈❌爾數随(sui)截面含氣(qì)率💃🏻而變🈲化(hua)的公式。李(li)永光的工(gōng)作主要是(shì)從流體力(lì)學的角度(du)對氣液兩(liǎng)相流中渦(wo)街現象的(de)機理進行(háng)了研究，其(qí)給出的試(shì)驗結果✌️涉(she)及到截面(mian)含氣率的(de)測量[4]。本文(wén)通過試驗(yan)從測量的(de)角度，研究(jiū)了水平管(guǎn)道🛀中含有(you)少量氣體(tǐ)的液體條(tiao)件下渦街(jie)流量計測(cè)量❌結果的(de)變化情況(kuang)，并且測🛀🏻量(liàng)結果分别(bie)用譜分析(xī)和脈沖計(ji)數兩種測(ce)量🏃🏻方式⚽得(dé)到，通過比(bǐ)較發現在(zai)液含氣流(liú)體條件下(xia)譜分析要(yao)明顯優于(yu)脈沖計數(shu)的方式。

    1　試(shì)驗裝置與(yu)試驗方法(fa)

    1.1　試驗裝置(zhi)

    試驗介質(zhi)由已測定(ding)流量的水(shui)和空氣組(zu)成，分别送(song)入🔞管道混(hun)和成氣液(yè)兩相流送(sòng)入試驗管(guǎn)段。試驗裝(zhuang)置如圖1所(suo)🌏示。試驗裝(zhuāng)置由空氣(qi)壓縮機、儲(chǔ)氣罐、蓄水(shuǐ)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(fa)門組成。

    空(kōng)氣壓縮機(ji)将空氣壓(yā)縮後送入(rù)儲氣罐，标(biao)準流量計(jì)1計👅量氣液(yè)混合前儲(chu)氣罐送入(ru)管道的氣(qì)體流量。蓄(xù)水罐距離(li)地面30m，提🌂供(gòng)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(ru)試驗管段(duàn)，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(shui)由水泵送(song)回蓄水罐(guàn)循環使用(yòng)。工控機對(dui)所有儀表(biǎo)數據進行(hang)采集和顯(xian)示并對兩(liǎng)個電動調(diào)節閥進行(hang)控制，調節(jiē)氣⁉️相和液(yè)相的流量(liàng)。

    試驗所用(yong)的渦街流(liú)量計選擇(zé)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(gan)🌍器放置在(zài)水平直管(guǎn)💰段上，其上(shang)下遊直管(guǎn)段長度分(fen)别爲30D和20D。壓(ya)力變送器(qì)和溫度變(bian)送器分别(bié)放在渦街(jie)👌流量傳感(gǎn)🈲器上遊1D和(hé)下遊10D的位(wei)🈲置，混和器(qi)安裝在渦(wo)街流量計(ji)上遊30D的位(wèi)置。

圖(tú)1 氣液兩相(xiàng)流試驗裝(zhuang)置

    1.2 試驗方(fang)法    

    通過流(liú)量計2的測(ce)量和調節(jiē)電動閥2，水(shuǐ)的流量取(qu)6、8、10、12m³ /h四個流量(liang)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(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(guò)對脈沖信(xìn)号計數計(jì)算出旋渦(wō)脫落的頻(pin)率。脈沖輸(shu)出的渦街(jiē)流量計主(zhǔ)要的缺點(dian)是易受噪(zao)✊聲幹擾，對(duì)于小流量(liàng)來說由于(yú)信号微弱(ruo)難以與噪(zào)聲區别。近(jìn)幾年随着(zhe)數字信号(hao)處理技術(shu)的發展，出(chu)現了以DSP爲(wei)核心，具有(you)譜分析功(gōng)能的渦街(jie)流量計，這(zhe)種方法提(ti)高了對微(wēi)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(xing)渦街流量(liang)計在工業(ye)現場使用(yong)，試驗中同(tóng)時用譜分(fen)析方法和(he)脈沖計數(shu)方👨‍❤️‍👨法對渦(wo)❓街頻率進(jin)行計算，并(bing)📞對兩種方(fang)法進行了(le)比較。

    渦街(jie)流量計的(de)轉換電路(lu)流程圖如(ru)圖2所示。以(yǐ)5000Hz的頻率⛷️對(dui)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(cai)樣點，将得(de)到的采樣(yàng)點進行傅(fù)裏葉變換(huàn)得到不同(tong)☎️測量點渦(wo)街産生的(de)頻率，同時(shi)通過脈沖(chong)計數的方(fāng)🚶法對B點采(cai)樣。

圖(tu)2 渦街流量(liang)計電路框(kuang)圖

    2 渦街流(liú)量計的标(biao)定

    将渦街(jie)流量計在(zai)标準水裝(zhuang)置上，分别(bie)用頻譜分(fen)析和脈沖(chòng)計數的方(fāng)法進行标(biāo)定，流體介(jie)質爲水未(wei)加氣體，采(cai)用的标準(zhun)傳感器爲(wei)精度等級(jí)爲0.2級的電(dian)磁流量計(ji)。在每個流(liu)量測🏃‍♂️量點(diǎn)上的儀表(biǎo)系數用公(gong)式（1）計算，然(ran)後用式（2）計(jì)算得到zui終(zhong)儀💃表系數(shu)K。Q_l 爲被測水(shui)的流量值(zhi)，f爲每一個(ge)流量點得(dé)到的頻率(lü)，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(biao)系數。儀表(biǎo)系數的線(xiàn)性度E₁ 用式(shi)（3）來計算。

    譜分析(xi)和脈沖計(ji)數兩種不(bú)同方法計(jì)算出的渦(wō)街流🔱量計(jì)儀表系數(shu)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(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(hua)的曲線，可(ke)以看出，在(zai)試驗所選(xuan)流量範圍(wei)内，儀表🔱系(xi)數近似于(yú)一個常數(shu)，頻譜分🧑🏽‍🤝‍🧑🏻析(xī)的結果與(yǔ)脈沖計數(shu)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(ce)介質全部(bù)爲水時兩(liǎng)種測量方(fāng)❗法并沒有(yǒu)明顯的區(qū)别。

圖(tú)3　渦街流量(liàng)計儀表系(xì)數

    3　渦街信(xin)号分析

    試(shi)驗發現，氣(qì)相的加入(rù)對渦街流(liu)量計測量(liàng)的影響顯(xiǎn)著，譜🌂分析(xī)和脈沖計(jì)數兩種方(fang)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(tú)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(suǒ)示；用脈沖(chòng)計數方法(fǎ)得到的脈(mo)沖信号，如(rú)圖💞4（g～i）所示。圖(tu)4顯示，當注(zhù)入氣量不(bu)大時，對渦(wō)街流量計(jì)的影響不(bu)大，無論是(shi)譜分析♍結(jié)果還是脈(mò)沖計數得(de)到的結果(guo)都比較👣好(hao)。當注入🛀🏻的(de)氣量進一(yi)步增加時(shí)，渦街原始(shi)信号強度(dù)和穩定🚶性(xìng)逐漸變差(chà)，渦街頻率(lü)信号會被(bei)幹擾信号(hao)所淹沒，反(fǎn)映到譜分(fèn)析圖是，渦(wō)街🚶頻率的(de)譜能量減(jiǎn)小，幹擾信(xìn)🚶号的譜能(neng)量加強🔴；對(dui)于脈沖信(xìn)号，會因爲(wei)一些旋渦(wo)信号減弱(ruo)，形成脈沖(chòng)缺失現🈲象(xiàng)，而不能真(zhēn)實地反🥰映(yìng)渦街産生(shēng)的頻🎯率。

    表1反映(ying)了不同流(liu)量點Q_l 下，随(sui)着注氣量(liàng)Qg的增加，渦(wō)街發生頻(pín)率fs和fc的變(bian)化情況。結(jié)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(ding)範圍時，不(bú)🐆能再檢測(ce)到渦街信(xin)号；在一定(ding)水流量下(xia)🌏，随着注氣(qì)量的增加(jia)譜分析得(de)到的頻率(lü)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(shēng)脈沖缺失(shi)現象所得(de)到的⛹🏻‍♀️頻率(lü)值減小。因(yīn)🌐此在氣液(yè)兩相流下(xià)，譜分析比(bǐ)脈沖計數(shu)法有優勢(shì)，它🌈能在較(jiào)高的含氣(qì)量依然能(neng)檢測到旋(xuán)渦脫落的(de)頻率。

圖4 不同注(zhù)氣量時頻(pín)率信号圖(tú)

    4　渦街(jiē)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(fen)㊙️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(chà)。渦街流量(liàng)計的測量(liàng)誤差用式(shì)（4）來計算。其(qí)中Qs爲裝置(zhi)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(wō)街流量計(ji)的🚶測量值(zhi)。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(ru)式（5）計算Qt值(zhi)。從圖中可(ke)以看出氣(qi)相含率☀️的(de)增加兩種(zhong)測量方法(fǎ)得到的誤(wu)差并不相(xiang)同。當含氣(qi)率不高時(shi)，0<β<6%，譜分析法(fǎ)的平均誤(wù)差爲1.226%，zui大誤(wù)差爲2.687%，脈沖(chong)計數法的(de)平均誤差(chà)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(fen)析沒有明(ming)顯的優勢(shi)；在氣相含(han)率進一步(bù)增加時，6%<β<14%，譜(pu)分析法的(de)平均誤差(chà)爲3.975%，zui大誤差(cha)爲14.058%，脈沖計(jì)⛱️數法的平(píng)均誤差爲(wèi)20.053%，zui大誤差爲(wèi)33.130%，脈沖計數(shù)的方法得(de)到的測量(liang)誤差遠大(da)🆚于譜分析(xī)方法☁️。

    含氣(qi)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(yú)氣泡對旋(xuan)渦發生體(tǐ)的撞擊作(zuò)用，氣📐泡對(dui)邊界層和(he)旋渦脫落(luò)📞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(mo)沖計數方(fāng)法測量的(de)誤差增大(da)，而譜分析(xi)的方法在(zài)一段時域(yu)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(tǐ)流體計量(liang)中譜分析(xi)方法要好(hao)于脈沖計(ji)數的方法(fǎ)。

圖5　不同氣(qì)相含率下(xia)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(liàng)計在測量(liàng)混有少量(liàng)氣體的液(yè)體流量時(shi)，測量誤差(cha)會顯著增(zeng)加。之所以(yǐ)會出現這(zhe)樣✔️的情況(kuàng)，一方面，氣(qì)體在液體(tǐ)中會形成(cheng)氣泡，在旋(xuan)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(dà)量質量較(jiào)輕的氣泡(pào)，從💞而削弱(ruò)了旋渦的(de)能量，使壓(ya)電傳感器(qì)檢測不到(dao)旋渦，導緻(zhi)檢測過程(cheng)中脈沖缺(quē)失現象出(chū)現；另一方(fāng)面，由于旋(xuan)渦🧑🏽‍🤝‍🧑🏻的能量(liàng)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(cha)✊。其它方面(mian)，旋渦發生(shēng)體👈後的氣(qi)團，旋🈲渦中(zhōng)心區氣泡(pao)的含量😄、旋(xuan)渦🐅外的氣(qi)泡量、氣泡(pao)🍉的大小😘等(děng)等都會影(yǐng)響測量的(de)結果。

    通過(guo)上述的試(shì)驗結果及(ji)分析表明(ming)，單相液體(tǐ)中混入少(shao)量的氣體(ti)時會導緻(zhi)渦街旋渦(wo)強度變弱(ruo)和可靠性(xing)變差，在這(zhè)種條件下(xia)測量時譜(pǔ)分析的方(fang)法在氣含(han)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(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(jì)數的方法(fǎ)。

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