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(zhong)現象稱(cheng)爲卡門(men)渦街。20世(shì)紀60年代(dài)日本橫(héng)🌐河公司(sī)首先利(lì)用卡門(mén)渦街現(xian)象研制(zhi)出渦街(jiē)流量🔞計(ji)，此後渦(wo)街流量(liang)計由于(yu)其諸多(duo)優點得(de)以在工(gong)業✊領域(yu)廣泛應(ying)用[1]。      

    在單(dan)相流體(ti)介質條(tiao)件下對(duì)渦街流(liú)量計的(de)研究相(xiàng)對比較(jiao)成熟，研(yan)究者通(tōng)過試驗(yan)的方法(fǎ)得到了(le)大量有(yǒu)價🙇‍♀️值的(de)🏃‍♂️試驗結(jie)果，并應(ying)用到渦(wō)街流量(liàng)計的開(kāi)發中，使(shi)得渦街(jiē)流量計(ji)的⁉️測量(liang)精❤️度、可(kě)靠性得(dé)到了很(hěn)大的提(ti)高[2，3]。工業(yè)測量中(zhong)經常會(huì)👈有這樣(yàng)的情況(kuàng)出現🌈：液(ye)體管道(dao)中有時(shí)會混入(rù)少量的(de)氣體，被(bei)測流質(zhì)變成了(le)氣液兩(liǎng)相流。由(yóu)于氣液(ye)兩相流(liu)的複雜(za)性，研究(jiū)這種條(tiáo)件下渦(wo)街流量(liàng)計測量(liàng)特性的(de)文章不(bú)多。西安(an)交通大(da)學的李(lǐ)永光[4-6]曾(ceng)經在氣(qi)液兩相(xiàng)流的豎(shù)直管道(dao)上，對不(bú)同形狀(zhuang)的渦街(jie)發生體(ti)進行了(le)研究，對(duì)不同截(jie)面含氣(qi)率下渦(wō)街🌂的結(jié)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(hā)爾數随(suí)截面含(han)氣率而(ér)變化的(de)公式。李(lǐ)永光的(de)工作主(zhu)要是從(cong)流體力(li)學的角(jiao)度對氣(qi)🌈液兩相(xiang)流中渦(wō)街現象(xiang)的機理(lǐ)進行了(le)研究，其(qi)給出的(de)試驗結(jié)果涉及(jí)到截面(mian)含氣率(lǜ)的測量(liàng)[4]。本⛷️文通(tōng)過試驗(yan)從測量(liang)的角度(du)，研究了(le)水平管(guǎn)道✌️中含(han)有少量(liang)氣🏃🏻體的(de)液體條(tiao)件下渦(wo)街流量(liàng)計測量(liàng)結果的(de)變化情(qing)況，并且(qiě)測💚量結(jié)果分别(bie)用譜分(fèn)析和脈(mò)沖計數(shu)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(yào)明顯優(yōu)于脈沖(chong)計數的(de)方式。

    1　試(shì)驗裝置(zhì)與試驗(yàn)方法

    1.1　試(shì)驗裝置(zhi)

    試驗介(jiè)質由已(yi)測定流(liú)量的水(shuǐ)和空氣(qì)組成，分(fen)别送入(rù)🐪管道混(hun)和成氣(qi)液兩相(xiàng)流送入(rù)試驗管(guan)段。試驗(yàn)裝💞置如(ru)🏃圖1所示(shi)。試🐇驗裝(zhuāng)置由空(kong)氣壓縮(suo)機、儲氣(qì)罐、蓄水(shui)罐、分離(lí)罐、流量(liàng)計、壓力(li)變送器(qi)、溫度變(biàn)送器、工(gōng)控機和(he)各種閥(fa)門組成(chéng)。

    空氣壓(ya)縮機将(jiāng)空氣壓(yā)縮後送(song)入儲氣(qi)罐，标準(zhun)流量🌐計(ji)1計量氣(qì)液混合(hé)前儲氣(qì)罐送入(rù)管道的(de)氣體流(liú)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(liu)量計2測(cè)得。液相(xiang)⛹🏻‍♀️和氣相(xiàng)經混和(he)器混和(hé)後送入(rù)試驗管(guan)段，zui後流(liu)入分離(lí)罐将水(shui)和空氣(qi)進行分(fèn)離🌈，空氣(qi)由放氣(qi)閥排出(chū)，水由水(shui)泵送回(hui)蓄水罐(guàn)循環使(shi)☁️用。工控(kòng)機對所(suo)有儀表(biǎo)數據進(jin)行采集(jí)和顯示(shì)并對兩(liang)個電動(dòng)調節閥(fa)進行控(kong)制，調節(jie)氣😍相和(hé)液相的(de)流⚽量。

    試(shì)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(shi)渦街流(liú)量傳感(gǎn)器，其口(kou)徑的直(zhí)徑D=50mm。将渦(wo)街傳感(gan)器放⭐置(zhi)在水平(ping)直管段(duàn)上，其上(shàng)下遊直(zhi)管段長(zhang)度分别(bié)爲30D和🌈20D。壓(yā)力變送(sòng)器和溫(wen)度變送(song)器分别(bie)放在渦(wo)街流量(liàng)傳感器(qì)上遊1D和(he)下遊10D的(de)位置，混(hun)和器安(an)裝在渦(wo)街流量(liang)計上遊(you)30D的位置(zhi)。

圖1 氣(qì)液兩相(xiàng)流試驗(yan)裝置

    1.2 試(shì)驗方法(fa)    

    通過流(liu)量計2的(de)測量和(hé)調節電(dian)動閥2，水(shuǐ)的流量(liàng)取6、8、10、12m³ /h四個(ge)流量值(zhi)。通過電(dian)動閥1控(kòng)制，流量(liang)計1顯示(shì)空氣注(zhu)入量的(de)🌐範圍📞爲(wei)0.3～1.8m³ /h，其壓力(lì)範圍爲(wèi)0.4～0.5MPa。

    目前工(gong)業中應(ying)用的渦(wō)街流量(liang)計大部(bù)分是脈(mo)沖輸出(chū)㊙️，即将旋(xuán)渦信号(hào)轉化爲(wèi)脈沖信(xin)号，通過(guò)對脈沖(chòng)信🌈号計(ji)數計算(suan)出旋渦(wo)脫落的(de)頻率。脈(mo)沖輸出(chu)的渦街(jiē)流量計(ji)主要的(de)缺點是(shi)易受噪(zao)聲幹擾(rǎo)，對于小(xiao)流量來(lái)說由于(yú)🐆信号微(wei)弱難以(yǐ)與噪聲(sheng)區别。近(jin)幾年随(sui)着數字(zi)信号處(chu)理技術(shù)的發展(zhan)，出現了(le)以DSP爲核(hé)心，具有(you)譜分析(xī)功能的(de)🧡渦街流(liu)量計，這(zhe)種方法(fa)提高了(le)對微弱(ruò)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(lei)型渦街(jiē)流量計(jì)在工業(ye)🌈現場使(shǐ)用，試驗(yan)中同🥰時(shi)用譜分(fèn)析方法(fa)和脈沖(chòng)計數方(fang)法對渦(wo)街頻率(lü)進行計(jì)算，并對(dui)兩種方(fāng)法進行(hang)了比較(jiào)。

    渦街流(liú)量計的(de)轉換電(dian)路流程(cheng)圖如圖(tú)2所示。以(yi)5000Hz的頻率(lü)對A點的(de)🤟模拟信(xin)号進行(hang)采樣，每(mei)次采樣(yang)10組數據(ju)，每組數(shu)據有5×10⁴ 個(ge)采樣點(dian)，将得到(dao)的采樣(yang)點進行(hang)傅裏葉(yè)變換得(de)到不同(tóng)測量點(diǎn)渦街産(chan)生的頻(pin)率，同時(shí)通過脈(mo)沖計數(shù)的方法(fǎ)對🐉B點采(cǎi)樣。

圖(tú)2 渦街流(liú)量計電(diàn)路框圖(tú)

    2 渦街流(liú)量計的(de)标定

    将(jiang)渦街流(liú)量計在(zai)标準水(shuǐ)裝置上(shàng)，分别用(yòng)頻譜分(fèn)析和脈(mò)沖🈲計數(shu)的方法(fǎ)進行标(biao)定，流體(ti)介質爲(wei)水未加(jiā)🚶氣體，采(cǎi)用的标(biāo)準傳感(gǎn)器爲精(jing)度等級(jí)爲0.2級的(de)電磁流(liú)量計‼️。在(zai)每個流(liú)量測量(liàng)點上的(de)儀表系(xì)數用公(gōng)式（1）計算(suan)，然後用(yòng)式（2）計算(suan)得到zui終(zhōng)儀表系(xi)數K。Q_l 爲被(bèi)測水的(de)流量值(zhí)，f爲每一(yī)個流量(liàng)點得到(dao)的頻率(lǜ)㊙️，k爲每個(ge)測量點(dian)得到的(de)儀表系(xi)數。k_max 、k_min 分别(bie)爲試驗(yan)流量範(fàn)圍内得(dé)到的zui大(da)與zui小的(de)儀表系(xì)數。儀📞表(biǎo)系數的(de)線性度(dù)E₁ 用式（3）來(lái)計算。

    譜分析(xi)和脈沖(chòng)計數兩(liang)種不同(tóng)方法計(ji)算出的(de)渦街流(liu)量🐕計儀(yí)表系數(shù)分别爲(wei)：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(zhi)變化的(de)曲線，可(ke)以看出(chu)，在試驗(yan)所㊙️選流(liú)量範圍(wéi)内，儀表(biao)系數近(jìn)似于一(yī)個常數(shu)，頻譜分(fen)🍓析的結(jié)果與脈(mo)沖計數(shù)所得到(dao)的試驗(yàn)😘結果差(chà)别不⭕大(da)，之間的(de)誤差範(fan)圍爲0.109%～0.688%。可(ke)見被測(ce)介質全(quán)部爲水(shui)時兩種(zhǒng)測量方(fāng)法并沒(méi)有明顯(xian)的區别(bie)。

圖3　渦(wo)街流量(liàng)計儀表(biao)系數

    3　渦(wo)街信号(hao)分析

    試(shi)驗發現(xian)，氣相的(de)加入對(duì)渦街流(liu)量計測(cè)量的影(yǐng)響顯著(zhe)，譜分析(xī)💜和脈沖(chong)計數兩(liǎng)種方法(fa)随着氣(qi)相注入(ru)的增加(jiā)其表現(xian)也不同(tóng)。圖4反映(yìng)了水流(liú)量12m³ /h時，注(zhù)入不同(tóng)氣含率(lǜ)β時A點的(de)模拟信(xin)号，如圖(tú)4（a～c）所示；經(jīng)譜分析(xi)💋後得到(dào)的頻率(lǜ)值，如圖(tú)4（d～f）所示；用(yòng)脈沖計(ji)數方法(fa)得到的(de)脈沖✏️信(xin)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(da)，無㊙️論是(shi)譜分析(xi)🚩結果還(hái)是脈沖(chong)計數得(dé)到的結(jié)果都比(bǐ)較好。當(dāng)注入的(de)氣量進(jìn)一🧑🏽‍🤝‍🧑🏻步增(zeng)加時，渦(wo)👣街原始(shi)信号🤞強(qiáng)度和穩(wen)定📐性逐(zhú)漸變差(chà)，渦街頻(pin)率信号(hào)會被幹(gan)擾信号(hao)所🍉淹沒(mei)，反映到(dào)譜分析(xī)圖是，渦(wo)街♉頻率(lǜ)的譜能(néng)量減小(xiǎo)，幹擾信(xìn)号的譜(pu)能量加(jia)強；對于(yú)脈沖信(xìn)号，會因(yin)爲一些(xie)旋🌈渦信(xin)号減弱(ruò)，形成脈(mò)沖缺失(shī)現象，而(ér)不能真(zhēn)實地反(fan)💋映渦街(jiē)産生的(de)頻率。

    表1反映(yìng)了不同(tóng)流量點(dian)Q_l 下，随着(zhe)注氣量(liàng)Qg的增加(jiā)，渦街發(fā)生頻率(lü)fs和fc的變(bian)化情況(kuàng)。結🈲果顯(xiǎn)示，對于(yu)不同的(de)水流量(liang)，當注入(rù)的氣體(ti)流量增(zēng)加到一(yī)定♍範圍(wéi)時，不能(néng)再檢測(ce)到渦街(jie)信号；在(zài)一定水(shuǐ)流量下(xia)💞，随着注(zhù)氣量的(de)增加譜(pu)分析得(de)到的頻(pin)率值會(hui)變大，這(zhè)是由于(yu)總的體(ti)積流量(liang)增加了(le)，而👄脈沖(chòng)計數法(fa)則由于(yú)産生🧑🏾‍🤝‍🧑🏼脈(mò)沖缺失(shī)現象所(suǒ)得到的(de)頻率值(zhí)減小。因(yin)此在氣(qì)液兩相(xiàng)流下，譜(pǔ)分析比(bǐ)脈沖計(jì)數法有(yǒu)優勢，它(ta)能在較(jiao)高的含(hán)氣量依(yi)然能檢(jiǎn)測到📧旋(xuán)渦脫落(luò)的頻率(lü)。

圖4 不(bu)同注氣(qì)量時頻(pin)率信号(hao)圖

    4　渦(wo)街流量(liang)計的誤(wù)差分析(xī)

    将試驗(yan)數據進(jìn)行處理(li)，得到了(le)渦街流(liú)量計測(ce)量誤差(chà)随🏃氣相(xiang)✊含率變(biàn)化的情(qing)況，如圖(tu)5所示。其(qí)中δs爲譜(pu)分析方(fāng)法的💋測(cè)量誤差(chà)，δc爲脈沖(chòng)計數方(fāng)法的測(ce)量誤差(chà)。渦街流(liú)量計的(de)測量誤(wu)😍差用式(shì)（4）來計算(suàn)✍️。其中Qs爲(wei)裝置中(zhōng)标準表(biao)測量出(chu)的管道(dao)總流量(liàng)，Qt爲試驗(yàn)管段中(zhōng)渦街流(liú)量計的(de)測量值(zhi)。将譜分(fèn)析和脈(mò)沖計數(shù)得到的(de)頻率值(zhí)和儀🈲表(biǎo)系數分(fen)别代入(rù)式（5）計算(suan)Qt值。從圖(tú)中可💔以(yǐ)看出氣(qì)相含率(lü)👌的增加(jiā)兩種測(ce)量❤️方法(fǎ)得到的(de)誤差并(bìng)不相同(tóng)。當含氣(qì)🚩率不高(gao)時，0<β<6%，譜分(fen)析法的(de)平均誤(wù)🛀🏻差爲1.226%，zui大(dà)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(wei)2.898%，因此譜(pǔ)分析法(fa)與脈沖(chong)計數法(fǎ)的測量(liang)🈲誤差區(qu)别不大(dà)，譜分析(xī)沒有明(míng)顯的優(you)勢；在氣(qì)相含率(lü)進一步(bu)增加🔅時(shí)，6%<β<14%，譜分析(xī)法的平(ping)均誤差(cha)爲3.975%，zui大誤(wù)差爲14.058%，脈(mo)沖計數(shu)法的平(ping)💋均誤差(cha)爲20.053%，zui大誤(wù)差爲33.130%，脈(mò)沖計數(shù)的方法(fǎ)得到的(de)測量誤(wù)差遠大(da)于譜分(fen)析方法(fǎ)。

    含氣液(ye)體測量(liàng)誤差産(chan)生的主(zhu)要原因(yin)是：在氣(qi)液兩☁️相(xiang)流動🈲中(zhong)，由🥰于氣(qì)泡對旋(xuán)渦發生(sheng)體的撞(zhuang)擊作用(yòng)，氣泡對(duì)邊界✍️層(ceng)和旋渦(wō)脫落的(de)影響，以(yi)及旋渦(wō)吸入氣(qì)泡使其(qi)強度減(jian)弱，使旋(xuan)渦脈沖(chong)數缺失(shi)，缺失的(de)旋渦🈚數(shù)不穩定(ding)，使脈沖(chòng)計數方(fāng)法測量(liàng)的誤差(cha)增大，而(er)譜分析(xī)的方法(fa)在一段(duàn)時域内(nei)得到主(zhǔ)頻譜作(zuo)爲渦街(jie)⛹🏻‍♀️頻率值(zhi)，減小了(le)旋渦缺(que)失對測(ce)量的影(yǐng)響。所以(yi)含氣液(ye)體流體(ti)計量中(zhong)🤞譜分析(xi)方法要(yào)好于脈(mo)沖計數(shu)的方法(fa)。

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(jie)束語

    從(cóng)試驗結(jie)果來看(kan)，渦街流(liú)量計在(zai)測量混(hùn)有少量(liàng)氣體的(de)液🧡體流(liu)量時，測(cè)量誤差(cha)會顯著(zhe)增加。之(zhi)所以會(hui)出現這(zhe)樣的情(qing)況，一😄方(fāng)面，氣體(ti)在液體(ti)中會形(xing)成氣泡(pào)，在旋渦(wo)發生體(ti)的後✍️部(bu)形成氣(qi)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(liàng)較輕的(de)氣泡，從(cóng)而削弱(ruo)了旋渦(wo)的能量(liàng)，使壓電(dian)傳感器(qì)檢測不(bu)到旋渦(wo)，導緻檢(jian)測過程(cheng)中脈沖(chòng)缺失現(xian)象出現(xian)；另一方(fang)面，由于(yú)旋渦的(de)能量降(jiang)低，會增(zeng)加流場(chǎng)本身對(duì)旋渦脫(tuō)落的擾(rao)動，進一(yi)步增加(jiā)了測量(liàng)的誤差(chà)。其🈲它方(fāng)面，旋渦(wō)發生體(tǐ)後的氣(qì)團，旋渦(wo)中心區(qu)氣泡的(de)含量、旋(xuán)渦💃外的(de)氣泡量(liàng)、氣泡的(de)大小等(děng)等都會(hui)影響測(ce)量的結(jié)果。

    通過(guo)上述的(de)試驗結(jie)果及分(fèn)析表明(míng)，單相液(yè)體中混(hun)入🐆少量(liàng)的✍️氣體(ti)時會導(dao)緻渦街(jiē)旋渦強(qiang)度變弱(ruo)和可🤟靠(kao)性變差(chà)，在這種(zhǒng)條件下(xia)測量時(shi)譜分析(xi)的方法(fǎ)在💃氣含(hán)率不大(da)時🌂（0<β<6%）與脈(mo)沖計數(shù)的方法(fǎ)差别不(bú)大，但随(suí)着氣含(han)率的進(jin)一步增(zēng)加（6%<β<14%），譜分(fèn)👉析的方(fang)法要好(hǎo)于脈沖(chòng)計數的(de)方法。

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