當流體(tǐ)流過阻擋(dang)體時會在(zai)阻擋體的(de)兩側交替(ti)産生旋⚽渦(wo)，這種現象(xiàng)稱爲卡門(men)渦街。20世紀(jì)60年代日本(běn)橫河公司(sī)首先利💚用(yòng)卡門渦街(jie)現象研制(zhì)出渦街流(liú)量☀️計，此後(hou)渦街流量(liàng)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(zài)單相流體(ti)介質條件(jiàn)下對渦街(jie)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(you)價值的試(shi)驗結果，并(bing)應用到渦(wo)街流量計(ji)的開發中(zhong)，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(zhōng)經常會有(yǒu)這樣的情(qíng)況出現💋：液(ye)體管道中(zhong)👄有時會混(hun)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(xiang)流的複雜(za)性，研究💋這(zhè)種條件下(xia)渦街流量(liàng)計測量特(te)性的文章(zhang)不多。西安(ān)🔆交通大學(xue)的李永光(guang)[4-6]曾經在氣(qi)液兩相流(liu)的豎直管(guan)道上，對不(bu)同形狀的(de)渦街發生(shēng)體進行了(le)研究，對不(bú)同截面含(han)氣率‼️下渦(wō)街🙇🏻的結構(gou)以及斯特(tè)勞哈爾🈲數(shu)的變化進(jin)行了大量(liàng)的試驗研(yan)究，并給出(chū)了斯特勞(láo)哈爾數随(sui)截面含氣(qi)率而變化(huà)‼️的公式。李(lǐ)永光的工(gong)作主要是(shi)從流體力(li)學的角度(du)對氣液兩(liǎng)相流中渦(wo)街現象的(de)機理進行(hang)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(guan)道✨中含有(yǒu)少量氣體(tǐ)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(xi)和脈沖計(ji)數兩📱種測(ce)量方式💁得(de)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(yú)脈沖計數(shu)的方式。

    1　試(shì)驗裝置與(yu)試驗方法(fǎ)

    1.1　試驗裝置(zhi)

    試驗介質(zhì)由已測定(dìng)流量的水(shuǐ)和空氣組(zu)成，分别送(song)入管道混(hùn)❌和成氣液(ye)兩相流送(sòng)入試驗管(guǎn)段。試驗裝(zhuang)🌈置如圖1所(suǒ)⛱️示。試驗裝(zhuāng)置由空氣(qì)壓縮機、儲(chǔ)氣罐、蓄水(shui)罐、分離罐(guàn)、流量計、壓(ya)力變送器(qì)、溫度變送(song)器、工控機(jī)和各種閥(fá)門組成。

    空(kōng)氣壓縮機(ji)将空氣壓(yā)縮後送入(ru)儲氣罐，标(biāo)準流量計(ji)⚽1計❓量氣液(ye)💋混合前儲(chu)氣罐送入(rù)管道的氣(qi)體流量。蓄(xu)水罐距❓離(li)地面30m，提供(gong)試驗所需(xu)的液相，其(qi)流量由标(biāo)準流量計(ji)2測得。液相(xiàng)和氣相🌈經(jīng)混和器混(hùn)和後送入(rù)試驗管段(duan)，zui後流入分(fen)離罐将水(shui)和空氣進(jìn)行分離，空(kong)氣由放氣(qi)閥排出，水(shuǐ)由水泵送(sòng)回蓄水罐(guàn)循環使用(yong)。工控機對(duì)所有儀表(biao)數據進行(hang)采集和顯(xiǎn)示并對兩(liang)個電動調(diào)節閥進行(háng)控制，調節(jiē)氣🔞相和液(yè)相的流❗量(liàng)。

    試驗所用(yòng)的渦街流(liu)量計選擇(ze)了一台應(ying)用zui多的壓(yā)👄電⭐式渦街(jie)流量傳感(gǎn)器，其口徑(jing)的直徑D=50mm。将(jiāng)渦街傳感(gǎn)器放置在(zài)水平直管(guan)段上，其上(shàng)下遊直管(guǎn)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(bie)放在渦街(jiē)🌐流量傳感(gǎn)💜器上遊1D和(he)下遊10D的位(wei)☔置，混和器(qi)♍安裝在渦(wo)街流量計(jì)上遊30D的位(wei)置。

圖(tú)1 氣液兩相(xiàng)流試驗裝(zhuāng)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(zhì)，流量計1顯(xiǎn)示空氣注(zhù)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(yè)中應用的(de)渦街流量(liang)計大部分(fèn)是脈沖輸(shu)出，即将🈲旋(xuán)渦🤞信号轉(zhuǎn)化爲脈沖(chong)信号，通過(guò)對脈沖信(xin)号計數計(ji)☂️算出旋渦(wō)脫落的頻(pin)率。脈沖輸(shu)出的渦街(jie)🌈流量計主(zhǔ)要的缺點(diǎn)是易受噪(zào)聲幹擾，對(dui)于小流量(liang)來說由于(yú)信号微弱(ruò)💃難以與噪(zao)聲區别。近(jin)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(yǒu)譜分析功(gong)能🙇🏻的渦街(jie)流量計，這(zhe)種方法提(ti)高了對微(wei)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(yè)☎️現場使用(yòng)，試驗中同(tong)時用譜分(fen)析方法和(hé)脈沖計數(shù)方🤟法對渦(wō)街頻率進(jìn)行計算，并(bìng)對兩種方(fāng)法進行了(le)比較。

    渦街(jiē)流量計的(de)轉換電路(lu)流程圖如(rú)圖2所示。以(yǐ)5000Hz的頻率對(dui)A點的模拟(nǐ)信号進行(hang)采樣，每次(cì)采樣10組數(shù)據，每組數(shù)據有🌈5×10⁴ 個采(cǎi)樣點，将得(de)到的采樣(yang)點進行傅(fù)裏葉變換(huan)得到不同(tong)測量點渦(wo)街産生的(de)頻率，同時(shi)通過脈沖(chòng)計數的方(fāng)法對B點采(cǎi)樣。

圖(tu)2 渦街流量(liang)計電路框(kuang)圖

    2 渦街流(liu)量計的标(biao)定

    将渦街(jiē)流量計在(zai)标準水裝(zhuāng)置上，分别(bie)用頻譜分(fen)析🛀🏻和脈🐇沖(chong)♋計數的方(fang)法進行标(biāo)定，流體介(jiè)質爲水未(wèi)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(dian)磁流量計(jì)。在每個流(liú)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(shuǐ)的流量值(zhí)，f爲每一個(gè)流量點得(dé)到的頻率(lǜ)，k爲每個測(ce)量♻️點得到(dào)的儀表系(xì)數。k_max 、k_min 分别爲(wèi)試驗流量(liang)範圍内得(dé)到的zui大與(yu)zui小的儀表(biao)系數。儀💋表(biǎo)系數的線(xiàn)性度E₁ 用式(shì)（3）來計算。

    譜分析(xī)和脈沖計(ji)數兩種不(bú)同方法計(ji)算出的渦(wō)街流量計(ji)儀表系數(shu)分别爲：Ks=10107p/m³ ；Kc=10143p/m³ ；計(ji)算得到的(de)儀表系數(shù)線性度分(fen)别爲：1.2%和1.5%。圖(tú)3爲儀表👌系(xì)數随水流(liú)量值變化(huà)的曲線，可(ke)以看出，在(zài)試驗所選(xuan)流🔴量範💃🏻圍(wéi)内，儀表系(xi)數💜近似于(yú)一個常數(shù)，頻譜分析(xī)的結✂️果與(yu)脈沖計數(shu)所得到的(de)試驗結果(guǒ)差别不🚶大(dà)，之間的⛷️誤(wù)差範圍爲(wèi)0.109%～0.688%。可見被測(cè)介質全部(bù)爲水時兩(liang)種測量方(fāng)法并沒有(you)明顯的區(qu)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(ru)對渦街流(liú)量計測量(liang)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(shi)，注入不同(tóng)氣含率β時(shí)A點的模拟(ni)信号，如圖(tu)4（a～c）所示；經🤟譜(pǔ)💋分析後得(dé)到的頻率(lü)值，如圖4（d～f）所(suo)示；用脈沖(chong)計數方法(fa)得⭕到的脈(mo)沖信号🐇，如(rú)圖4（g～i）所示。圖(tú)4顯示，當注(zhu)入氣量🐅不(bu)大時，對渦(wō)街流量計(jì)的影響不(bú)大，無❓論是(shi)譜分析結(jie)果還是脈(mò)沖計數得(dé)到的結⭐果(guǒ)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(xing)逐漸變差(chà)🌈，渦街頻率(lü)信号會♌被(bei)幹擾信号(hao)所🥰淹沒，反(fan)映到譜分(fèn)析圖🌏是，渦(wo)街🚶‍♀️頻率的(de)譜能量減(jiǎn)小，幹擾信(xìn)号的譜能(néng)量加強；對(dui)于脈沖信(xìn)号，會因爲(wèi)一些旋㊙️渦(wō)信号減弱(ruo)，形成脈沖(chong)缺失現象(xiang)，而不能真(zhen)實地反映(ying)渦街産生(sheng)的頻率。

    表1反映(yìng)了不同流(liu)量點Q_l 下，随(suí)着注氣量(liàng)Qg的增加，渦(wō)街發生頻(pin)率fs和fc的變(biàn)化情🚩況。結(jié)果顯✊示，對(dui)于不同的(de)水流量，當(dang)注入的氣(qi)體流量增(zēng)加到一定(ding)範圍時，不(bú)能再檢測(cè)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(lǜ)值會變大(da)，這是由于(yu)總的體積(jī)流量❄️增加(jiā)了，而✏️脈沖(chong)計數法則(zé)由于産生(shēng)脈沖缺失(shī)現象所得(de)到的頻率(lǜ)值減小🥵。因(yīn)此在氣液(ye)兩相流下(xia)，譜分析比(bǐ)脈沖計數(shu)法有優勢(shi)，它能在較(jiao)高的含氣(qi)量依然能(neng)檢測到☀️旋(xuán)渦脫落的(de)頻率。

圖4 不同注(zhu)氣量時頻(pin)率信号圖(tú)

    4　渦街(jie)流量計的(de)誤差分析(xi)

    将試驗數(shù)據進行處(chu)理，得到了(le)渦街流量(liàng)計測量誤(wù)差随氣相(xiàng)含率變化(hua)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(chà)，δc爲脈沖計(jì)數方法的(de)測量誤差(cha)。渦街流✊量(liang)計的測量(liang)誤差用式(shi)（4）來計算☀️。其(qi)中Qs爲裝置(zhì)中标準表(biǎo)✂️測量出的(de)管道總流(liu)量，Qt爲試驗(yàn)管段中渦(wo)街流量計(jì)的🔞測量值(zhí)。将譜分析(xī)和脈沖計(ji)數得到的(de)頻率值和(hé)儀表系數(shu)分别代入(rù)式（5）計算Qt值(zhí)。從圖中可(kě)✊以看出氣(qi)🔅相含率的(de)增加兩種(zhǒng)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(wu)差爲1.226%，zui大誤(wu)差爲2.687%，脈沖(chong)計🧡數法的(de)平均誤差(chà)爲1.583%，zui大誤差(chà)爲2.898%，因此譜(pǔ)分析法與(yǔ)脈沖🈲計數(shù)法的測量(liang)誤差區别(bié)不大，譜分(fèn)析沒有明(ming)顯的優勢(shi)；在氣相含(hán)率進一步(bu)👌增加時，6%<β<14%，譜(pǔ)分析法的(de)平均誤差(chà)🔴爲♊3.975%，zui大誤差(cha)爲14.058%，脈沖計(ji)數法的平(píng)🌏均誤差爲(wei)20.053%，zui大誤差爲(wei)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(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(liú)動❤️中，由于(yu)氣泡對旋(xuan)渦發生體(ti)的撞擊作(zuò)用，氣❌泡對(dui)♍邊界層和(hé)旋渦脫落(luò)的影響，以(yi)及旋渦吸(xī)入氣㊙️泡使(shǐ)其強度減(jiǎn)弱，使旋渦(wō)脈沖數缺(quē)失，缺失的(de)旋渦數不(bú)穩定，使脈(mo)沖計數方(fāng)法測量的(de)誤差增大(dà)，而譜分析(xi)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(yi)含氣🌈液體(tǐ)流體計量(liang)中譜分析(xī)方法要好(hao)于脈沖計(ji)數的✂️方💋法(fa)。

圖5　不同氣(qi)相含率下(xià)渦街流量(liang)計的測量(liàng)誤差

    5　結束(shù)語

    從試驗(yàn)結果來看(kan)，渦街流量(liang)計在測量(liang)混有少量(liang)氣體的液(ye)體流量時(shi)，測量誤差(cha)會顯著增(zēng)加。之所以(yǐ)會出現這(zhe)樣的情況(kuang)，一方面🚶‍♀️，氣(qì)體在液體(ti)中會形成(cheng)氣泡，在旋(xuan)渦發生⛹🏻‍♀️體(tǐ)的後部形(xíng)成❄️氣團，并(bìng)且旋渦中(zhong)心🎯會出現(xian)一個低壓(yā)區，吸入大(dà)量質量較(jiào)輕的氣泡(pao)，從而削弱(ruò)了旋渦的(de)能量，使壓(yā)電傳感器(qi)檢測不到(dào)旋渦，導緻(zhì)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(běn)身對旋渦(wō)脫落的擾(rao)動，進一步(bù)增加了測(ce)量的誤差(chà)。其它方面(miàn)，旋❤️渦發生(sheng)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(pào)✏️的大小等(děng)等都會影(yǐng)響測量的(de)結果。

    通過(guò)上述的試(shì)驗結果及(ji)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(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(da)，但随着氣(qì)含率的進(jìn)一步🚶增加(jia)（6%<β<14%），譜分析的(de)方法要好(hao)于脈沖計(ji)數的方法(fa)。

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