當(dāng)流體流(liu)過阻擋(dang)體時會(hui)在阻擋(dang)體的兩(liǎng)側交替(tì)産生旋(xuán)渦，這🔴種(zhǒng)現象稱(chēng)爲卡門(men)渦街。20世(shi)紀60年代(dai)日本橫(heng)河公司(si)首先利(lì)用卡門(mén)渦街現(xian)象研制(zhi)出渦街(jie)流量計(ji)，此後渦(wō)街流🌂量(liàng)計由于(yú)其諸多(duo)優點得(dé)以在工(gōng)業領域(yu)廣泛應(yīng)用[1]。      

    在單(dan)相流體(tǐ)介質條(tiao)件下對(dui)渦街流(liu)量計的(de)研究相(xiang)🚶‍♀️對比較(jiao)成熟💋，研(yán)究者通(tong)過試驗(yàn)的方法(fǎ)得到了(le)大量有(you)價值的(de)試驗結(jié)果，并應(ying)用到渦(wo)街流量(liang)計的開(kai)發中，使(shi)得👣渦街(jiē)流量計(ji)的測量(liàng)精度、可(kě)靠性得(de)到了很(hen)大的提(tí)高[2，3]。工業(yè)測量中(zhōng)經常會(hui)有這樣(yàng)的情況(kuang)出現🔴：液(yè)體管道(dào)中有時(shi)會混入(ru)少量的(de)氣體，被(bèi)測流質(zhì)變成了(le)氣液兩(liǎng)相流。由(yóu)于氣液(yè)兩相流(liú)的複雜(zá)性，研究(jiu)這種條(tiao)件下渦(wo)街流量(liang)計測量(liang)特性的(de)文章不(bú)多。西安(an)交通大(dà)學的李(li)永㊙️光[4-6]曾(céng)經在氣(qì)液兩相(xiàng)流的豎(shu)直管道(dào)上，對不(bu)同形狀(zhuàng)的渦街(jiē)發生體(ti)進行了(le)研究，對(duì)不同截(jié)面含氣(qi)率下渦(wo)街🈲的結(jie)構以及(jí)斯特勞(lao)哈爾數(shu)的變化(hua)進行了(le)大量的(de)試驗研(yan)究，并給(gei)出了斯(si)特勞哈(ha)爾數随(suí)截面含(han)氣率而(ér)變化的(de)公式。李(li)永光的(de)工作主(zhu)要是從(cong)流體力(li)學的角(jiǎo)度對氣(qì)液🌈兩相(xiang)流中渦(wō)街現象(xiàng)的機理(li)進行了(le)研究，其(qi)給出的(de)試驗結(jie)果涉及(jí)到截面(mian)含氣率(lü)🐇的測量(liàng)[4]。本文通(tong)過試驗(yan)從測量(liàng)的角☀️度(du)，研究了(le)水平管(guǎn)道中含(han)有少量(liàng)氣體的(de)液體條(tiáo)件下渦(wo)街流量(liang)計測量(liàng)結果的(de)變化情(qing)況，并且(qie)測量結(jié)果分别(bié)用譜分(fen)析和脈(mò)沖計數(shù)兩種測(ce)量方式(shi)⭐得到，通(tong)過比較(jiao)發現在(zài)液含氣(qì)流體條(tiao)件💯下譜(pu)分🏃‍♂️析✂️要(yao)明顯優(you)于脈沖(chòng)計數的(de)方式。

    1　試(shi)驗裝置(zhi)與試驗(yàn)方法

    1.1　試(shì)驗裝置(zhì)

    試驗介(jiè)質由已(yi)測定流(liu)量的水(shuǐ)和空氣(qì)組成，分(fen)别送入(rù)管道混(hùn)和成氣(qì)液兩相(xiàng)流送入(ru)試驗管(guan)段。試驗(yàn)裝置如(ru)圖1所示(shì)。試🚶驗裝(zhuang)置由空(kōng)氣壓縮(suō)機、儲氣(qì)罐、蓄水(shuǐ)罐、分離(lí)罐、流量(liàng)計、壓力(lì)變送器(qi)、溫度變(bian)🐉送器、工(gōng)控機和(he)各種閥(fa)門組成(cheng)。

    空氣壓(ya)縮機将(jiang)空氣壓(yā)縮後送(song)入儲氣(qi)罐，标準(zhun)流量計(ji)1計量氣(qi)液混合(he)前儲氣(qì)罐送入(rù)管道的(de)氣體流(liu)量。蓄水(shui)罐距離(lí)地面30m，提(ti)供試驗(yan)所需的(de)液相，其(qi)流量由(yóu)标準流(liú)量計2測(ce)得。液相(xiang)和氣相(xiang)經混和(he)器混和(he)後送入(ru)試驗管(guan)段，zui後流(liu)入分離(li)罐将水(shui)和空氣(qì)進行分(fèn)離⭕，空氣(qì)由放氣(qi)閥排出(chū)，水由水(shui)泵送回(hui)蓄水罐(guàn)循環使(shǐ)☂️用。工控(kong)機對所(suǒ)有儀表(biǎo)數據進(jin)行采集(ji)和顯示(shi)并對兩(liǎng)個電動(dong)調節閥(fá)進行控(kòng)制，調節(jiē)氣相和(he)液相的(de)流量。

    試(shi)驗所用(yong)的渦街(jie)流量計(ji)選擇了(le)一台應(ying)用zui多的(de)壓電式(shì)👉渦街流(liú)😍量傳感(gǎn)器，其口(kǒu)徑的直(zhi)徑D=50mm。将渦(wō)街傳感(gan)🍉器放💚置(zhì)在水平(ping)直管段(duàn)上，其上(shàng)下遊直(zhi)管段長(zhǎng)度分别(bié)爲30D和20D。壓(yā)力變送(sòng)器和溫(wēn)度變送(sòng)器分别(bie)放在渦(wō)街流量(liàng)傳感器(qi)上遊1D和(he)下遊10D的(de)位置，混(hùn)和器安(ān)裝在渦(wo)街流量(liàng)計上遊(yóu)30D的位置(zhi)。

圖1 氣(qi)液兩相(xiang)流試驗(yan)裝置

    1.2 試(shi)驗方法(fǎ)    

    通過流(liú)量計2的(de)測量和(he)調節電(dian)動閥2，水(shui)的流量(liang)取6、8、10、12m³ /h四個(gè)流量值(zhí)。通過電(dian)動閥1控(kòng)制，流量(liang)計1顯示(shì)空氣注(zhù)入量的(de)範圍爲(wèi)0.3～1.8m³ /h，其壓力(li)範圍爲(wei)0.4～0.5MPa。

    目前工(gong)業中應(yīng)用的渦(wō)街流量(liàng)計大部(bù)分是脈(mo)沖輸出(chū)💃，即将旋(xuan)🏃🏻渦信号(hao)轉化爲(wèi)脈沖信(xìn)号，通過(guo)對脈沖(chong)信号計(jì)數計算(suan)出旋渦(wō)脫落的(de)頻率。脈(mo)沖輸出(chu)的渦街(jie)流量計(jì)🔴主要的(de)缺點是(shì)易受噪(zào)聲幹擾(rao)，對于小(xiǎo)流量🐆來(lái)說由于(yu)信号微(wēi)弱難以(yǐ)與噪聲(shēng)區别。近(jin)幾年随(sui)着♈數字(zi)信号處(chù)理技術(shu)的發展(zhan)，出現了(le)以🔴DSP爲核(he)心，具有(you)💃譜分析(xī)功能的(de)👉渦街流(liú)量計，這(zhe)種方法(fǎ)提高了(le)對微弱(ruo)渦街頻(pin)率信号(hao)的識别(bié)[7-8]。考慮到(dao)這兩種(zhǒng)不同類(lèi)型🈲渦🤩街(jiē)流量計(ji)在工業(yè)現場使(shǐ)用，試驗(yàn)中同時(shi)用譜分(fen)♍析方法(fa)和脈沖(chòng)計數方(fāng)法對渦(wō)街頻率(lǜ)進行計(ji)算，并對(duì)兩種方(fāng)法進行(háng)了比較(jiào)。

    渦街流(liu)量計的(de)轉換電(dian)路流程(chéng)圖如圖(tu)2所示。以(yǐ)5000Hz的頻率(lǜ)對A點的(de)模😍拟信(xin)号進行(hang)采樣，每(měi)次采樣(yang)10組數據(ju)，每組數(shu)據有5×10⁴ 個(ge)采樣點(diǎn)，将得到(dao)的采樣(yang)點進行(hang)傅裏葉(yè)變換得(dé)到不同(tóng)測♻️量點(diǎn)🔞渦街産(chan)生的頻(pin)率，同時(shi)通過脈(mo)沖計數(shù)的方法(fǎ)對B點采(cai)樣。

圖(tú)2 渦街流(liú)量計電(diàn)路框圖(tu)

    2 渦街流(liú)量計的(de)标定

    将(jiang)渦街流(liú)量計在(zài)标準水(shui)裝置上(shang)，分别用(yòng)頻譜分(fen)析和脈(mo)沖💜計數(shù)的方法(fǎ)進行标(biao)定，流體(tǐ)介質爲(wèi)水未加(jia)氣體，采(cǎi)用的标(biao)準傳感(gan)器爲精(jīng)度等級(jí)爲0.2級的(de)電磁流(liú)量計。在(zai)每個流(liu)量測量(liàng)點上的(de)儀表系(xì)數用公(gōng)式（1）計算(suan)，然後🔴用(yong)式（2）計算(suan)得到zui終(zhōng)儀表系(xì)數K。Q_l 爲被(bèi)測水的(de)流量值(zhí)，f爲每一(yi)個流量(liàng)點得到(dào)的頻率(lü)，k爲每個(ge)測量點(dian)得到的(de)儀表系(xi)數。k_max 、k_min 分别(bié)爲試驗(yan)流量範(fan)圍内得(dé)到的zui大(dà)與zui小的(de)儀表系(xì)數。儀表(biao)系數的(de)線性度(du)E₁ 用式（3）來(lai)計算。

    譜分析(xī)和脈沖(chòng)計數兩(liang)種不同(tóng)方法計(jì)算出的(de)渦街流(liú)量🤟計儀(yí)✉️表系數(shù)分别爲(wèi)：Ks=10107p/m³ ；Kc=10143p/m³ ；計算得(dé)到的儀(yi)表系數(shu)線性度(du)分别爲(wèi)：1.2%和1.5%。圖3爲(wèi)儀表系(xi)數随水(shuǐ)⭐流量值(zhí)變化的(de)曲線，可(ke)以看出(chū)，在試驗(yàn)所選流(liú)🎯量範圍(wei)内，儀表(biao)系數💯近(jin)似于一(yī)個常數(shu)，頻譜分(fèn)析的結(jie)果與脈(mò)沖計數(shù)所得到(dao)的試驗(yan)結果差(chà)别不大(da)，之間的(de)誤差範(fàn)圍🤞爲0.109%～0.688%。可(ke)見被測(cè)介質全(quan)部爲水(shuǐ)時兩種(zhǒng)測量方(fāng)法并沒(méi)有明顯(xiǎn)的區别(bié)。

圖3　渦(wo)街流量(liàng)計儀表(biǎo)系數

    3　渦(wo)街信号(hao)分析

    試(shi)驗發現(xian)，氣相的(de)加入對(dui)渦街流(liu)量計測(ce)量的影(yǐng)響顯著(zhe)，譜分🈲析(xī)和脈沖(chong)計數兩(liang)種方法(fa)随着氣(qì)相注入(rù)的增🐅加(jia)其表現(xiàn)也不同(tong)。圖4反映(ying)了水流(liu)量12m³ /h時，注(zhu)入不同(tong)氣含率(lǜ)β時A點的(de)模拟信(xin)号，如圖(tú)4（a～c）所示；經(jing)譜分析(xi)後得到(dao)的頻率(lü)值，如圖(tu)4（d～f）所示；用(yong)脈沖計(jì)數方法(fǎ)得到的(de)脈沖😄信(xìn)号📐，如圖(tu)4（g～i）所示。圖(tu)4顯示，當(dāng)注入氣(qi)量不大(dà)時，對渦(wō)街流量(liang)計的影(ying)響不大(dà)，無論是(shi)譜分析(xi)結果還(hai)是♉脈沖(chong)計數得(de)到的結(jié)果都比(bi)較好。當(dang)注入的(de)氣量進(jìn)一步增(zeng)加時，渦(wo)街原始(shi)信号強(qiang)度和穩(wen)定性逐(zhú)漸變差(cha)，渦街頻(pin)率信号(hào)會💚被幹(gàn)擾信号(hào)所淹沒(mei)，反映到(dao)譜🏒分析(xī)圖是，渦(wō)街🔴頻率(lü)的譜能(neng)量減小(xiao)，幹擾信(xin)号的譜(pu)能量加(jia)強💔；對于(yu)脈沖信(xin)号，會因(yin)爲一些(xie)旋渦信(xìn)号減弱(ruò)，形成脈(mò)沖缺失(shī)現象，而(er)不能真(zhēn)實地反(fǎn)映渦街(jie)産生的(de)頻♍率。

    表1反映(yìng)了不同(tong)流量點(dian)Q_l 下，随着(zhe)注氣量(liàng)Qg的增加(jiā)，渦街發(fa)生頻率(lü)fs和fc的變(biàn)化情況(kuàng)。結果顯(xiǎn)示，對于(yú)不同的(de)水流量(liang)，當注入(ru)的氣體(tǐ)流量增(zeng)加到一(yi)定範圍(wéi)時，不能(neng)再檢測(cè)到渦街(jiē)信号；在(zai)🤩一定水(shui)流量下(xià)，随着注(zhu)氣量的(de)增加譜(pǔ)分析得(dé)到的頻(pín)率值會(huì)🎯變大，這(zhe)是由于(yú)總的體(tǐ)積流量(liàng)增加了(le)，而脈沖(chòng)計數法(fǎ)則由于(yu)産生📞脈(mo)沖缺失(shi)現❤️象所(suǒ)得到的(de)頻率值(zhi)減小📱。因(yin)此在氣(qì)液兩相(xiang)流下，譜(pu)分析比(bǐ)脈沖計(jì)數法有(yǒu)優勢，它(tā)能在較(jiao)✌️高的含(han)氣量依(yī)然能檢(jian)測到旋(xuán)渦脫落(luo)的頻率(lǜ)。

圖4 不(bu)同注氣(qì)量時頻(pín)率信号(hao)圖

    4　渦(wo)街流量(liàng)計的誤(wù)差分析(xi)

    将試驗(yan)數據進(jin)行處理(lǐ)，得到了(le)渦街流(liú)量計測(cè)量誤差(cha)🐕随氣相(xiàng)含🐕率變(biàn)化的情(qíng)況，如圖(tú)5所示。其(qi)中δs爲譜(pǔ)分析方(fāng)法的㊙️測(ce)量✉️誤差(cha)，δc爲脈沖(chòng)計數方(fang)法的測(ce)量誤差(cha)。渦街流(liú)量計的(de)測量誤(wù)差用式(shi)（4）來計算(suàn)。其中Qs爲(wei)裝置中(zhōng)标準表(biao)測量出(chū)的管道(dào)總流量(liang)，Qt爲試驗(yàn)管段中(zhōng)渦街流(liu)量計的(de)測量值(zhí)。将譜分(fèn)析和脈(mò)沖計數(shu)得到的(de)頻率值(zhí)和儀📞表(biao)系數分(fen)别代入(ru)🌈式（5）計算(suan)Qt值。從圖(tu)中可以(yi)看出氣(qi)相含率(lü)的增加(jiā)兩種測(cè)量方法(fa)得到的(de)誤差并(bìng)不相同(tong)。當含氣(qi)🚶‍♀️率不高(gāo)時，0<β<6%，譜分(fen)析法的(de)平均誤(wu)差爲1.226%，zui大(da)誤差爲(wei)2.687%，脈沖計(ji)🚶‍♀️數法的(de)平均誤(wu)差爲1.583%，zui大(dà)誤差爲(wèi)2.898%，因此譜(pu)分析法(fǎ)🔴與脈沖(chong)🤩計數法(fa)的測量(liàng)誤差區(qu)别不大(da)，譜分析(xi)沒有明(míng)顯的優(you)勢；在氣(qì)相含率(lǜ)進一步(bu)💚增加時(shí)，6%<β<14%，譜分析(xī)法的平(ping)均誤差(chà)爲3.975%，zui大誤(wù)差爲14.058%，脈(mò)沖計數(shù)法的平(ping)均誤差(cha)爲20.053%，zui大誤(wù)差爲33.130%，脈(mo)沖計數(shu)的方法(fǎ)得到的(de)測量誤(wù)差♉遠大(dà)于譜分(fen)析方法(fa)。

    含氣液(ye)體測量(liàng)誤差産(chan)生的主(zhǔ)要原因(yin)是：在氣(qi)液兩相(xiang)流動中(zhōng)，由于氣(qi)泡對旋(xuán)渦發生(sheng)體的撞(zhuàng)擊作用(yòng)，氣泡對(dui)🥵邊界👣層(céng)和旋渦(wo)脫落的(de)影響，以(yi)及旋渦(wo)吸入氣(qi)泡使其(qi)強度減(jian)弱，使旋(xuán)渦脈沖(chong)數缺失(shī)，缺失的(de)旋渦數(shù)不穩定(ding)，使脈沖(chòng)計⛷️數方(fang)法測量(liang)的誤差(cha)增大，而(ér)譜分析(xī)的方法(fǎ)在一段(duan)時域内(nei)得到主(zhu)頻譜作(zuo)爲渦街(jie)♉頻率值(zhi)，減小了(le)旋渦缺(quē)失對測(ce)量的影(ying)響。所以(yǐ)含氣液(yè)體流體(tǐ)🎯計量中(zhōng)譜分析(xī)方法要(yao)好于脈(mò)沖計數(shu)的方法(fǎ)。

圖(tú)5　不同氣(qi)相含率(lü)下渦街(jie)流量計(jì)的測量(liàng)誤差

    5　結(jié)束語

    從(cóng)試驗結(jié)果來看(kan)，渦街流(liú)量計在(zai)測量混(hun)有少量(liang)氣體的(de)液體流(liu)㊙️量時，測(ce)量誤差(cha)會顯著(zhe)增加。之(zhī)所以會(hui)出現這(zhe)樣☎️的情(qíng)況，一方(fang)面，氣體(tǐ)在液體(tǐ)中會形(xing)成氣泡(pao)，在旋渦(wō)發生體(ti)的後🧑🏽‍🤝‍🧑🏻部(bù)形成氣(qì)團，并且(qie)旋渦中(zhōng)心💛會出(chū)現一♻️個(gè)低壓區(qu)🐅，吸入大(dà)量質量(liang)較輕的(de)氣泡，從(cong)而削弱(ruò)了旋🔆渦(wō)的能量(liang)，使壓電(diàn)傳感器(qi)檢測不(bú)到旋✍️渦(wo)，導緻檢(jian)測過程(chéng)中脈沖(chòng)缺失現(xian)象出現(xian)；另一方(fāng)面，由于(yu)旋渦的(de)能量降(jiàng)低，會增(zeng)加流場(chang)本身對(dui)旋渦脫(tuō)🌈落的擾(rǎo)動，進一(yī)步增🏃加(jiā)了測量(liang)的誤差(cha)。其💋它方(fang)面，旋🐆渦(wo)發生體(tǐ)🏃🏻‍♂️後的氣(qì)團，旋渦(wō)中心區(qu)氣泡的(de)含量、旋(xuan)渦‼️外的(de)氣泡量(liàng)、氣泡的(de)大小‼️等(deng)等都會(hui)影響測(cè)量的結(jié)果。

    通過(guo)上述的(de)試驗結(jie)果及分(fen)析表明(ming)，單相液(ye)體中混(hùn)💃🏻入少量(liang)的氣體(tǐ)時會導(dǎo)緻渦街(jiē)旋渦強(qiang)度變弱(ruò)和可靠(kao)性🛀變差(chà)💔，在這種(zhǒng)條件下(xia)測量時(shí)譜分析(xī)的方法(fa)在氣含(han)率不大(da)時（0<β<6%）與脈(mò)沖💰計數(shu)的方法(fa)差🔞别不(bu)大，但随(suí)🥵着氣含(han)率的進(jìn)一步增(zēng)加（6%<β<14%），譜分(fen)🌏析的方(fāng)法要好(hao)于脈😘沖(chong)計數的(de)方法。

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