當流體(ti)流過阻擋(dǎng)體時會在(zai)阻擋體的(de)兩側交替(ti)産生✔️旋⛹🏻‍♀️渦(wo)，這種現象(xiang)稱爲卡門(mén)渦街。20世紀(ji)60年代日本(běn)橫河公司(si)首先利用(yòng)卡門渦街(jie)現象研制(zhi)出渦街流(liu)量計，此後(hou)渦街流量(liàng)計由于其(qi)諸多優點(dian)得以在工(gōng)業領域廣(guang)泛應用[1]。      

    在(zai)單相流體(tǐ)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(tōng)過試驗的(de)方法得到(dao)了大量有(yǒu)價值的試(shi)驗結果，并(bing)應用到渦(wo)街流量計(jì)的開發中(zhong)，使得渦街(jie)流量計的(de)測量精度(dù)、可靠性得(dé)到了很大(dà)的提高[2，3]。工(gōng)業測量中(zhong)經常會有(yǒu)這樣的情(qing)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(liǎng)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(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(bú)同形狀的(de)渦街發生(shēng)體進行了(le)研究，對不(bú)同截面含(hán)氣率下渦(wo)街的結構(gou)以及斯特(tè)勞哈爾數(shù)的變化進(jin)行了大量(liàng)的試驗研(yán)究，并給出(chū)了斯特勞(láo)哈爾數随(suí)截面含氣(qi)率而變化(hua)的公式。李(lǐ)永光的工(gong)作主要是(shì)從流體力(li)學的角度(du)對氣液兩(liǎng)相流中渦(wō)街現象的(de)機🏃‍♀️理進行(háng)了研究，其(qi)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(yàn)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(tiáo)件下渦街(jiē)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(jì)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(xià)譜分析要(yào)明顯優于(yu)脈沖計數(shù)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(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(zhuāng)置如❌圖1所(suo)示。試🔅驗裝(zhuang)置由空氣(qì)壓縮機、儲(chu)氣罐、蓄水(shui)罐、分離罐(guàn)、流量計、壓(ya)力🔞變送器(qì)、溫度變🔞送(sòng)器、工控機(ji)和各種閥(fá)門組成。

    空(kong)氣壓縮機(ji)将空氣壓(ya)縮後送入(ru)儲氣罐，标(biāo)準流量計(jì)1計量氣液(yè)混合前儲(chu)氣罐送入(rù)管道的氣(qì)體流量✏️。蓄(xu)水罐距離(li)地面30m，提供(gòng)試💋驗所需(xū)的液相，其(qí)流量由标(biao)準流㊙️量計(jì)2測得。液相(xiàng)和氣相經(jīng)混和器混(hùn)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(guan)循環使🔆用(yong)。工控機對(dui)所有儀表(biǎo)數據進🏒行(hang)采集和顯(xian)示并對兩(liang)個電動調(diào)節閥進行(háng)控制，調節(jie)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(ying)用zui多的壓(ya)電🈲式渦街(jiē)流量傳感(gǎn)器，其口徑(jìng)的直徑D=50mm。将(jiāng)渦街傳感(gǎn)器放❓置在(zai)水平直管(guǎn)段上📞，其上(shàng)下遊直管(guǎn)段長度分(fèn)别爲30D和20D。壓(ya)力變🛀送器(qi)和溫度變(biàn)送器分🌂别(bié)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(wō)💃🏻街流量計(ji)上遊30D的位(wèi)置。

圖(tu)1 氣液兩相(xiang)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(qu)6、8、10、12m³ /h四個流量(liang)值。通過電(dian)動閥1控制(zhi)，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(yā)力範圍爲(wèi)0.4～0.5MPa。

    目前工業(ye)中應用的(de)渦街流量(liàng)計大部分(fèn)是脈沖輸(shu)出，即将旋(xuan)渦信号轉(zhuan)化爲脈沖(chong)信号，通過(guò)對脈沖信(xìn)号計🌈數計(ji)算出旋渦(wō)💘脫落的頻(pin)率。脈沖輸(shū)出的渦街(jie)流量計主(zhǔ)要的缺點(diǎn)是易受噪(zao)📞聲幹擾，對(dui)于小流量(liàng)🐅來說由于(yu)信号微弱(ruo)難以與噪(zao)聲區别。近(jìn)幾年随着(zhe)🌈數字信号(hao)處☀️理技術(shù)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(jiē)流量計，這(zhè)種方法提(tí)高了對微(wei)弱渦街頻(pín)率信号的(de)識别㊙️[7-8]。考慮(lü)到這兩種(zhǒng)不同類型(xing)渦街流量(liàng)計在工業(yè)現場使用(yong)，試驗中同(tóng)時用譜分(fèn)析方法和(hé)脈沖計數(shù)方法對渦(wo)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(lù)流程圖如(ru)圖2所示。以(yi)5000Hz的頻率對(duì)🔱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(shu)🐉據有♈5×10⁴ 個采(cai)樣點，将得(dé)到的采樣(yang)點進行傅(fù)裏葉變換(huan)得到不同(tong)測♋量點渦(wō)街産生的(de)頻率，同時(shi)通過脈沖(chong)計數的方(fang)法對B點采(cai)樣。

圖(tú)2 渦街流量(liàng)計電路框(kuang)圖

    2 渦街流(liú)量計的标(biāo)定

    将渦街(jiē)流量計在(zài)标準水裝(zhuang)置上，分别(bié)用頻譜分(fèn)析和脈沖(chong)計數的方(fāng)法進行标(biāo)定，流體介(jiè)質爲水未(wei)加氣體，采(cai)用的标準(zhǔn)傳感器爲(wei)精度等級(ji)爲0.2級的電(dian)磁流量計(ji)。在每個🈚流(liu)量測量點(dian)上🈚的儀表(biǎo)系數用公(gong)式（1）計算，然(rán)後用式（2）計(jì)算⛷️得到zui終(zhong)儀表系數(shu)K。Q_l 爲被測水(shuǐ)的流量值(zhi)，f爲每一個(gè)流量點得(dé)到的頻率(lü)，k爲⛹🏻‍♀️每個🏃測(cè)量點得到(dào)的儀表系(xì)數。k_max 、k_min 分别爲(wèi)試驗流量(liàng)範圍内得(dé)到的zui大與(yu)zui小的儀表(biǎo)系數。儀表(biǎo)系☀️數💯的線(xiàn)性度E₁ 用式(shi)（3）來計算。

    譜分析(xī)和脈沖計(jì)數兩種不(bú)同方法計(jì)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(jì)算得到的(de)儀表系數(shu)線性度分(fen)别爲：1.2%和1.5%。圖(tú)3爲儀表系(xì)數随水流(liu)量值變化(huà)的曲線，可(ke)以看出，在(zài)試驗所選(xuan)流⭐量範圍(wei)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(shù)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(ce)介質全部(bu)爲水時兩(liǎng)種測量方(fāng)法并沒有(yǒu)明顯的區(qu)别。

圖(tú)3　渦街流量(liang)計儀表系(xì)數

    3　渦街信(xin)号分析

    試(shì)驗發現，氣(qì)相的加入(rù)對渦街流(liu)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(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(tu)4（a～c）所示；經譜(pu)分析後得(de)到的頻率(lǜ)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(ru)圖✂️4（g～i）所示。圖(tú)4顯示，當注(zhu)入氣量不(bu)大時，對渦(wo)街流量計(ji)的影響不(bu)大，無🤟論是(shì)譜分析結(jié)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(yī)步增加時(shi)，渦街原始(shǐ)信号強度(dù)和穩定✊性(xing)逐漸變差(cha)，渦街頻率(lü)信号會✔️被(bèi)幹擾信号(hào)所🔴淹沒，反(fǎn)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(xin)号，會因💜爲(wèi)一些旋渦(wo)信号減弱(ruò)，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(ying)了不同流(liú)量點Q_l 下，随(suí)着注氣量(liang)Qg的增加，渦(wō)街發生頻(pin)率fs和fc的變(biàn)化情🌍況。結(jie)果顯示⛷️，對(dui)于不同的(de)水流量，當(dang)注入的氣(qì)體流量增(zēng)加到一定(dìng)範圍時，不(bú)能再檢測(cè)到渦街信(xìn)号；在一定(dìng)水流量下(xià)，随着注氣(qì)量的增加(jia)譜分析得(de)到的頻率(lǜ)值會變大(dà)，這是由于(yu)總的體積(jī)流量增加(jia)了，而脈沖(chong)計數法則(ze)由于産生(shēng)脈沖缺失(shi)現象所得(dé)到的🎯頻率(lǜ)值減小。因(yin)此在氣液(ye)兩相流下(xia)，譜分析比(bi)脈沖計數(shu)法有🏃‍♀️優勢(shì)，它🔴能在較(jiao)高的含氣(qi)量依然能(néng)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(tu)

    4　渦街(jie)流量計的(de)誤差分析(xī)

    将試驗數(shu)據進行處(chu)理，得到了(le)渦街流量(liàng)計測量誤(wù)差随氣相(xiang)含率變化(hua)的情況，如(ru)圖5所示。其(qi)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(shi)（4）來計算🌈。其(qi)中Qs爲裝置(zhi)中标準表(biao)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(xī)和脈沖計(jì)數得到的(de)頻率值和(hé)儀表系數(shù)分别代入(rù)式（5）計算Qt值(zhí)。從圖中可(ke)以看出氣(qì)相含率的(de)增加兩種(zhong)測量🧑🏾‍🤝‍🧑🏼方法(fa)得到的誤(wù)差并不相(xiang)同。當含氣(qì)率不高時(shi)，0<β<6%，譜分析法(fa)的平均誤(wu)💋差爲1.226%，zui大誤(wù)差爲2.687%，脈沖(chòng)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(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(bù)✔️增加時，6%<β<14%，譜(pǔ)分析法的(de)平均誤差(cha)🏃‍♂️爲✊3.975%，zui大誤差(cha)爲14.058%，脈沖計(jì)數法的平(ping)💋均誤差爲(wei)20.053%，zui大誤差爲(wei)33.130%，脈沖計數(shu)的方法得(de)🙇‍♀️到的測量(liang)誤差遠大(dà)于譜分析(xī)方法👉。

    含氣(qi)液體測量(liang)誤差産生(sheng)的主要原(yuan)因是：在氣(qì)液兩相流(liu)動中，由于(yú)氣泡對旋(xuan)渦發生體(ti)的撞擊作(zuò)用，氣泡對(dui)邊界層和(he)旋渦脫落(luo)💜的影響，以(yi)及旋渦吸(xi)入氣泡使(shi)其強度減(jian)弱，使旋渦(wō)脈沖數缺(quē)失，缺失的(de)旋渦數不(bú)穩定，使脈(mò)沖計數方(fāng)法測量的(de)誤差增大(dà)，而譜分析(xī)的方法在(zai)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(ti)流體計量(liàng)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(qi)相含率下(xià)渦街流量(liang)計的測量(liàng)誤差

    5　結束(shu)語

    從試驗(yan)結果來看(kàn)，渦街流量(liang)計在測量(liàng)混有少量(liàng)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(zhè)樣的情況(kuàng)，一方面，氣(qi)體在液體(ti)中會形成(cheng)氣🥵泡，在旋(xuán)渦發生體(tǐ)的後部形(xing)成氣團，并(bìng)✍️且旋渦中(zhong)心會出現(xian)一💃🏻個低壓(yā)區☎️，吸入大(da)量㊙️質量較(jiao)輕的氣泡(pao)，從而削弱(ruo)了旋渦的(de)能量，使壓(yā)電傳感器(qi)檢測不到(dào)旋渦，導緻(zhi)檢測過🏃🏻程(chéng)中脈沖缺(que)失現象出(chu)現；另一方(fang)面，由于旋(xuan)渦💃的能量(liàng)降低，會增(zeng)加流場本(ben)身對旋渦(wo)脫落的擾(rao)動，進一步(bu)增加了測(ce)量的誤差(cha)。其⭕它方面(miàn)，旋👅渦發生(shēng)體後的氣(qi)團，旋渦中(zhōng)心區氣泡(pào)的含量、旋(xuán)渦🈲外的氣(qi)泡量、氣泡(pao)的大小🔞等(deng)等都會影(ying)響測量的(de)結☔果。

    通過(guò)上述的試(shi)驗結果及(jí)分析表明(ming)，單相液體(ti)中混⁉️入少(shao)量的氣體(ti)時會導緻(zhi)渦街旋渦(wō)強度變弱(ruo)和可靠性(xing)變差，在這(zhè)種條♈件下(xià)☀️測量時譜(pu)分析的方(fāng)法在氣含(hán)率不大時(shí)（0<β<6%）與脈沖計(ji)數的方法(fǎ)差别不大(da)，但随着氣(qì)含率的進(jin)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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