當流體流(liú)過阻擋體時會在(zài)阻擋體的兩側交(jiao)替産生旋渦，這種(zhǒng)現象稱爲卡門渦(wo)街。20世紀60年代日本(běn)橫河公司首先利(li)用卡門渦街現象(xiàng)研制出渦街流量(liàng)計，此後渦街流量(liang)計由✉️于其諸♻️多優(yōu)點得以在工業領(ling)域廣泛應用[1]。      

    在單(dān)相流體介質條件(jiàn)下對渦街流量計(jì)的研究相對比較(jiao)成熟，研究者通過(guò)試驗的方法得到(dao)了大量有價值的(de)試驗結果🏃‍♂️，并應用(yòng)到渦街流量計的(de)開發中，使得🏃‍♂️渦街(jiē)流量計的💛測量精(jīng)度、可靠性得到了(le)很大的提高[2，3]。工業(ye)測量中經常會有(you)這樣的✉️情況出現(xian)：液體管道中有時(shí)會混入少量的氣(qi)體，被測流質變成(chéng)了氣液兩相流。由(you)于氣液兩相流的(de)複雜性，研究這種(zhǒng)條件下渦街流量(liang)計🈲測量特性的文(wén)章不多。西✍️安✂️交通(tōng)大學的李永光[4-6]曾(céng)經在氣液兩相流(liú)的豎直🍓管道上，對(duì)不同形狀的渦街(jie)發生體進行了研(yán)究，對🤟不同截面含(han)氣率下渦街的結(jié)構以及斯特勞哈(ha)爾✉️數的變化進行(hang)了大量的㊙️試驗研(yan)究，并給出了斯特(tè)勞哈爾數随截面(mian)含氣率而變化的(de)公式。李永光的工(gōng)作主要是從流體(ti)力學的角度❌對氣(qi)液兩相流中🐉渦街(jiē)現象的機理進📧行(hang)了研究，其給出的(de)試驗結㊙️果涉及到(dao)截面含氣率的測(cè)量[4]。本文通過試驗(yan)從測量的角度，研(yan)究了水平管道中(zhōng)含有少量氣💰體的(de)液體條件下渦街(jiē)流量計測量✔️結果(guo)的變化情況，并且(qie)測量結果分别用(yong)譜分析和脈沖計(ji)數兩種測量方式(shi)得到，通過比較發(fā)現在液含氣流體(ti)條件下譜分♋析要(yào)明顯優于脈沖計(ji)數的方式。

    1　試驗裝(zhuang)置與試驗方法

    1.1　試(shì)驗裝置

    試驗介質(zhi)由已測定流量的(de)水和空氣組成，分(fèn)别送入管道混和(he)成氣液兩相流送(sòng)入試驗管段。試驗(yan)裝置如圖1所示。試(shi)驗裝♌置由空氣壓(yā)縮機、儲氣罐、蓄水(shui)罐、分離罐、流量🔆計(jì)、壓力變送器、溫度(dù)變送器、工控機和(he)各種閥門組成。

    空(kōng)氣壓縮機将空氣(qì)壓縮後送入儲氣(qi)罐，标準流量👣計1計(jì)量氣液混合前儲(chǔ)氣罐送入管道的(de)氣體流量🐅。蓄水罐(guan)距離地🏃‍♀️面30m，提💚供試(shi)驗所需的液相，其(qi)流量由❓标準流量(liang)計2測得。液相和氣(qì)相經混和器混和(hé)後送入試驗管🥰段(duan)，zui後流入✍️分離罐将(jiāng)水和空氣進行分(fèn)離，空氣由放氣閥(fa)排出，水由水泵送(sòng)回蓄水罐循環使(shǐ)⛹🏻‍♀️用。工控機對所👌有(you)儀表數據進🌈行采(cai)集和顯示并對兩(liǎng)個電動調節閥進(jìn)行控制，調節氣相(xiàng)和液相的流🏃🏻量。

    試(shì)驗所用的渦街流(liú)量計選擇了一台(tái)應用zui多的壓電😍式(shi)渦🌐街流🚩量傳感器(qì)，其口徑的直徑D=50mm。将(jiāng)渦街傳感器放置(zhì)在水平直管段上(shang)，其上下遊直管段(duàn)長度分别爲30D和20D。壓(ya)力變送器和溫度(du)變送器分别放在(zai)渦街流量傳感器(qì)上遊1D和下遊10D的位(wei)🌂置，混和器😘安裝在(zài)渦街流量計上⭕遊(you)30D的位置。

圖(tú)1 氣液兩相流試驗(yàn)裝置

    1.2 試驗方法    

    通(tong)過流量計2的測量(liang)和調節電動閥2，水(shuǐ)的流量取6、8、10、12m³ /h四個流(liu)量值。通過電動閥(fa)1控制，流量計1顯示(shi)空氣注入量的♊範(fàn)圍爲0.3～1.8m³ /h，其壓力範圍(wéi)爲0.4～0.5MPa。

    目前工業中應(yīng)用的渦街流量計(jì)大部分是脈沖輸(shu)出，即✊将旋渦信号(hao)轉化爲脈沖信号(hao)，通過對脈沖信号(hao)計數計👄算出旋渦(wō)脫落的頻率。脈沖(chòng)輸出的渦街流量(liàng)計主要的缺點是(shì)易受噪聲幹擾🌏，對(dui)于小流量來說由(yóu)于信号微弱難以(yi)與噪💚聲區别。近幾(jǐ)年随着數字信号(hào)處理技術的發展(zhan)，出現了以DSP爲核心(xin)，具有譜分析功能(neng)的渦街流量計，這(zhè)種方法提高了對(dui)微弱渦街頻率信(xin)号⚽的識别[7-8]。考慮到(dào)這🔱兩種不同類型(xing)渦街流量計在工(gōng)業🐪現場使用，試驗(yan)中同🏒時用譜分析(xi)方法和脈沖計數(shù)方法對渦街頻率(lǜ)進行計算，并對兩(liang)種方法進行⭐了比(bǐ)較。

    渦街流量計的(de)轉換電路流程圖(tu)如圖2所示。以5000Hz的頻(pín)率🏃🏻對A點💰的模拟信(xìn)号進行采樣，每次(cì)采樣10組數據，每⭐組(zǔ)數🌈據有5×10⁴ 個采樣點(dian)，将得到的采樣點(dian)進行傅裏葉變換(huan)得到不同測量點(dian)渦街産生的頻率(lǜ)，同時通過脈沖計(ji)數的方法對B點采(cǎi)樣。

圖2 渦街(jie)流量計電路框圖(tú)

    2 渦街流量計的标(biāo)定

    将渦街流量計(ji)在标準水裝置上(shang)，分别用頻譜分析(xi)和脈沖計數🐪的方(fāng)法進行标定，流體(tǐ)介質爲水未加氣(qi)體，采用的标🌏準傳(chuán)感器✂️爲精度等級(jí)爲0.2級的電磁流量(liàng)計。在每個流量測(ce)💃🏻量點上的儀表系(xì)數用公式♻️（1）計算，然(rán)後用式（2）計算得到(dao)zui終儀表系數K。Q_l 爲被(bèi)測水的流量值，f爲(wei)每一個流量點得(dé)到的頻率💚，k爲每個(gè)測量點得到的儀(yi)表系數。k_max 、k_min 分别爲試(shi)驗流量範圍内得(de)到的zui大與zui小的儀(yi)表系數。儀💋表系數(shu)的線性度E₁ 用式（3）來(lái)計算。

    譜分(fèn)析和脈沖計數兩(liǎng)種不同方法計算(suan)出的渦街流量計(jì)儀表系數分别爲(wèi)：Ks=10107p/m³ ；Kc=10143p/m³ ；計算得到的儀表(biǎo)系數線性度分别(bié)爲：1.2%和1.5%。圖3爲儀表系(xì)🎯數随水流量值變(bian)化的曲線，可以看(kan)出，在試驗所✏️選流(liú)量範圍内，儀表系(xi)數近似于一個常(chang)數，頻譜分析的結(jie)果與脈沖計數所(suo)得到的試驗結果(guǒ)差别不大，之間的(de)誤差範圍爲0.109%～0.688%。可見(jian)被測介質全🌐部爲(wèi)水時☂️兩種測量方(fang)法并沒有明顯的(de)區别。

圖3　渦(wo)街流量計儀表系(xì)數

    3　渦街信号分析(xi)

    試驗發現，氣相的(de)加入對渦街流量(liàng)計測量的影響顯(xiǎn)著，譜分析和脈沖(chòng)計數兩種方法随(suí)着氣相注入的增(zēng)加其表現也不同(tóng)。圖4反映了水流量(liang)12m³ /h時，注入不同氣含(hán)率β時A點的模拟信(xìn)号，如圖4（a～c）所示；經譜(pu)分析後🔱得到的頻(pin)率值，如圖4（d～f）所示；用(yòng)脈沖計數方法得(dé)🚩到的脈沖信号，如(rú)圖4（g～i）所示。圖4顯示，當(dang)注入氣量不大時(shí)，對渦街流量計的(de)影響不大，無論是(shì)譜分析結果還是(shì)脈沖計數得到的(de)結果都比較好。當(dāng)注入的氣量進一(yi)步增加時，渦🤩街原(yuan)始信号強度和穩(wěn)定✍️性逐漸變差，渦(wō)🤟街頻率信号會🆚被(bèi)幹擾信号所淹沒(mei)，反映到譜分析圖(tú)是，渦街♌頻率的譜(pu)能量減小，幹擾🧑🏾‍🤝‍🧑🏼信(xin)号的譜能量加強(qiang)；對于脈沖信号，會(huì)因⚽爲一些旋渦信(xìn)号減❌弱，形成脈沖(chong)缺失現象，而不能(néng)真實地反映渦街(jie)産生的頻率。

    表1反映了不同(tóng)流量點Q_l 下，随着注(zhu)氣量Qg的增加，渦街(jiē)發生頻率fs和fc的變(bian)化情🈲況。結🌈果顯示(shì)，對于不同的水流(liu)量，當注入的氣體(ti)流量增加到一定(ding)範圍時，不能再檢(jiǎn)測到渦街信号；在(zài)一定水流量下，随(sui)着注氣量的增加(jia)譜分析得到的頻(pín)率值會變大，這是(shì)由于總的體積流(liu)量增加了，而脈沖(chòng)計數法則由于産(chǎn)生脈沖缺失現象(xiàng)所得到的🌈頻率值(zhi)減小🏃‍♂️。因此在氣液(ye)兩相流下，譜分析(xī)比🐕脈沖計數法有(you)優勢，它能在較高(gāo)的含氣量依然能(néng)檢測到旋渦脫落(luo)的頻率。

圖(tú)4 不同注氣量時頻(pin)率信号圖

    4　渦街流量計的誤(wù)差分析

    将試驗數(shù)據進行處理，得到(dao)了渦街流量計測(ce)量誤🔞差随♻️氣相含(hán)率變化的情況，如(ru)圖5所示。其中δs爲譜(pǔ)分析方法的測量(liàng)誤差，δc爲脈沖計數(shu)方法的測量誤差(cha)。渦街流量計的測(ce)量誤差用式（4）來計(jì)算。其中Qs爲裝置中(zhong)标準表㊙️測量出的(de)管道總流💃量，Qt爲試(shi)驗管段中渦街流(liu)量計的💋測量值。将(jiang)譜分析和脈沖計(ji)數得到的🌈頻率值(zhi)和儀表系數分别(bié)代入式（5）計算Qt值。從(cong)圖中可以看出氣(qì)相含率的增加兩(liǎng)種測量方法得到(dao)的誤⛷️差并不相同(tóng)。當含氣率不高時(shí)，0<β<6%，譜分析法的平均(jun)誤差爲1.226%，zui大誤差爲(wèi)2.687%，脈沖計數法的平(ping)均誤差爲1.583%，zui大誤差(cha)爲2.898%，因此譜分析法(fǎ)與脈沖計數法的(de)測量♋誤差區别🚶不(bú)大，譜分析沒有明(ming)顯的優勢；在氣相(xiang)含率進一步增加(jia)時，6%<β<14%，譜分析法的平(ping)均誤差爲3.975%，zui大誤差(chà)爲14.058%，脈沖計數法的(de)平均誤差爲20.053%，zui大誤(wu)差爲33.130%，脈沖計數的(de)方法得到的測量(liàng)誤差遠大🌈于譜分(fen)析方法。

    含氣液體(ti)測量誤差産生的(de)主要原因是：在氣(qì)液兩相流🤞動中，由(yóu)于氣泡對旋渦發(fā)生體的撞擊作用(yong)，氣泡對邊界層和(hé)旋渦脫落的影響(xiang)，以及旋渦吸入氣(qi)泡使其強度減弱(ruo)，使旋渦脈沖數缺(quē)失，缺失的旋渦🍉數(shu)不穩定，使脈沖計(ji)數方法測🔞量的誤(wu)差增大，而譜分析(xī)的方法在一段時(shí)域内得到主頻譜(pǔ)作爲渦街頻率值(zhi)，減小了旋渦缺失(shī)對測量的影響。所(suǒ)以含氣液體流體(ti)計量中譜分析方(fāng)法要好于脈沖計(ji)數的✌️方法。

圖5　不同氣(qì)相含率下渦街流(liu)量計的測量誤差(cha)

    5　結束語

    從試驗結(jie)果來看，渦街流量(liang)計在測量混有少(shǎo)量氣體的液體流(liu)量時，測量誤差會(huì)顯著增加。之所以(yi)會出現這樣的情(qíng)況，一方面，氣體在(zài)液體中會形成氣(qi)泡，在旋渦發生體(ti)的後部形成氣團(tuan)，并且旋渦中心會(hui)出現一個低壓區(qu)，吸入大量質量較(jiào)輕的氣泡，從🏃🏻而削(xue)弱了旋🙇🏻渦的能量(liang)，使壓電傳感器檢(jian)測不到旋渦，導緻(zhì)檢測過程中脈沖(chong)缺失現象出現；另(lìng)一方面，由于旋渦(wo)💞的能量降低，會增(zeng)加流場本身對旋(xuan)渦脫落✊的擾動，進(jìn)一步增加了測量(liàng)的誤差。其它方面(miàn)，旋❌渦發生體後的(de)氣團，旋📐渦中心區(qu)氣泡的含量、旋渦(wō)🆚外的氣泡量、氣泡(pao)的大小等等都會(huì)影響測量的結果(guo)。

    通過上述的試驗(yan)結果及分析表明(ming)，單相液體中混入(ru)少量的氣體時會(hui)導緻渦街旋渦強(qiáng)度變弱和可靠性(xing)變差，在這種條件(jian)下測量時譜分析(xi)的方法在氣含率(lǜ)不大時（0<β<6%）與脈沖計(ji)數的方法差别不(bú)大，但随🈲着氣含率(lǜ)的進一步☔增加（6%<β<14%），譜(pǔ)分析的方法要好(hǎo)于脈❄️沖計數的方(fang)🌂法。

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