當流體(ti)流過阻擋體(ti)時會在阻擋(dǎng)體的兩側交(jiāo)替産🚩生旋渦(wō)，這♍種現象稱(chēng)爲卡門渦街(jie)。20世紀60年代日(rì)本橫河公司(sī)首先利用卡(ka)門渦街現象(xiàng)研制出渦街(jiē)流量計，此後(hou)渦街流量計(jì)由于其諸多(duo)優點🤟得以在(zài)工業領域廣(guǎng)泛應用[1]。      

    在單(dān)相流體介質(zhì)條件下對渦(wō)街流量計的(de)研究相對比(bǐ)較成🚶熟🐅，研究(jiū)者通過試驗(yan)的方法得到(dào)了大量有價(jia)值的試驗結(jié)果，并應🚩用到(dao)渦街流量計(jì)的開發中，使(shǐ)得渦街流量(liàng)計的🛀🏻測量精(jing)度、可靠性得(dé)到了很大的(de)提高[2，3]。工業測(ce)量中經常會(hui)有這樣的情(qing)況出現🙇‍♀️：液體(tǐ)管道中有時(shi)會混入少量(liang)的氣體，被測(ce)流質變💜成了(le)氣液兩相流(liu)。由于氣液兩(liǎng)相流的複雜(za)性🤞，研究這種(zhong)條件下渦街(jiē)流量計測量(liàng)特性的文章(zhang)不多。西安㊙️交(jiāo)通大學的李(lǐ)永光[4-6]曾經在(zai)氣液兩🌈相流(liu)的豎直管道(dào)上，對不同形(xing)狀的✔️渦街發(fa)🈲生體進行了(le)研究，對㊙️不同(tóng)截面含氣率(lǜ)下渦街的結(jié)構以及斯特(tè)勞哈爾數的(de)變化進行了(le)大量的試驗(yàn)研究，并給出(chū)了斯特🌍勞哈(hā)爾數随截面(mian)含氣率而變(bian)化的公式。李(lǐ)永光的工作(zuo)主要是從流(liu)體力學的角(jiao)度對氣液兩(liang)相流中渦街(jie)現象的機理(li)進行了研究(jiu)，其給出的試(shi)驗結果⭐涉及(jí)到截面含氣(qì)率🐪的測量[4]。本(ben)文通過試驗(yan)從測量的角(jiǎo)🌈度，研究了水(shuǐ)平管道中含(han)有少量氣體(tǐ)的液體🥰條件(jian)下渦街流量(liang)計測量結果(guo)的變化情況(kuàng)💰，并且測量結(jie)果分别用譜(pu)分析和脈沖(chòng)計數兩種測(cè)量⭕方式🍓得到(dao)，通過比較發(fā)現在液含氣(qì)流體條件下(xia)譜分析要明(ming)顯優于脈沖(chòng)計💰數的方式(shì)。

    1　試驗裝置與(yǔ)試驗方法

    1.1　試(shi)驗裝置

    試驗(yàn)介質由已測(ce)定流量的水(shuǐ)和空氣組成(cheng)，分别送入管(guǎn)道混和😄成氣(qi)液兩相流送(song)入試驗管段(duàn)。試驗裝置如(rú)🎯圖1所🐪示。試驗(yàn)裝置由空氣(qì)壓縮機、儲氣(qi)罐、蓄水😍罐、分(fen)離罐、流量計(jì)、壓力變送器(qì)、溫度變送器(qi)、工控機和各(ge)種閥門組成(cheng)。

    空氣壓縮機(ji)将空氣壓縮(suo)後送入儲氣(qi)罐，标準流量(liang)計1計量🐕氣液(yè)混合前儲氣(qi)罐送入管道(dào)的氣體流量(liàng)。蓄水罐距離(lí)地面30m，提供試(shì)驗所需的液(yè)相，其流量由(you)🔞标準流量計(ji)2測得。液相和(he)氣相經混和(hé)👈器混和後送(sòng)入試驗管☂️段(duàn)，zui後流入分離(li)罐将水和空(kong)氣進行分離(lí)，空氣由放氣(qi)閥排出，水由(yóu)水泵送回蓄(xù)🌏水罐循環使(shi)用。工控機對(dui)所有儀表數(shu)據進行采集(ji)和顯示并對(dui)兩個電動調(diao)節閥⭐進行控(kòng)制，調節氣相(xiàng)和液相的流(liu)🔴量。

    試驗所用(yong)的渦街流量(liang)計選擇了一(yi)台應用zui多的(de)壓電式渦街(jiē)流量傳感器(qi)，其口徑的直(zhí)徑D=50mm。将渦街傳(chuán)感器放置在(zài)水平直管段(duan)上🤟，其上下遊(yóu)直管段長度(dù)分别爲30D和20D。壓(yā)力變送器和(hé)溫度變送器(qì)分🌂别放在渦(wo)街流量傳感(gan)器上遊1D和下(xia)遊10D的位置，混(hun)和器安裝在(zai)渦街流量計(ji)上👨‍❤️‍👨遊30D的位置(zhì)。

圖1 氣液兩相(xiàng)流試驗裝置(zhi)

    1.2 試驗方法    

    通(tōng)過流量計2的(de)測量和調節(jie)電動閥2，水的(de)流量取6、8、10、12m³ /h四個(ge)流量值。通過(guò)電動閥1控制(zhi)，流量計1顯示(shi)空氣注入量(liang)的範圍🔞爲0.3～1.8m³ /h，其(qi)壓力範圍爲(wèi)0.4～0.5MPa。

    目前工業中(zhōng)應用的渦街(jiē)流量計大部(bù)分是脈沖輸(shū)出⛷️，即将旋渦(wo)信号轉化爲(wèi)脈沖信号，通(tong)過對脈沖信(xin)📧号計數計算(suan)出旋渦脫落(luo)的頻率。脈沖(chong)輸出的渦街(jiē)流量計⛷️主要(yao)的缺點是易(yi)受噪🚩聲幹擾(rao)，對于小流量(liàng)來說由于信(xin)号微弱❗難以(yǐ)與噪聲區别(bié)。近幾年随着(zhe)數字信号處(chu)理技術的發(fā)展，出現了以(yi)🐆DSP爲核心，具有(you)譜分析功能(neng)🤟的渦街流量(liàng)計，這種方法(fa)提高了對微(wei)弱渦街頻率(lǜ)信号的識别(bié)[7-8]。考慮到這兩(liǎng)種不同類型(xing)❤️渦街流量計(jì)在工業現場(chang)使用，試驗中(zhong)同時用譜分(fèn)析方法和脈(mo)沖計數方法(fǎ)對渦街頻率(lǜ)進行計算，并(bing)❤️對兩種方法(fǎ)進行了比較(jiao)。

    渦街流量計(ji)的轉換電路(lu)流程圖如圖(tu)2所示。以5000Hz的頻(pín)率對A點的模(mo)拟信号進行(hang)采樣，每次采(cai)樣10組數據，每(mei)組數據有5×10⁴ 個(gè)采樣點，将得(de)到的采樣點(dian)進行傅裏葉(yè)變換得到不(bú)同測量👈點渦(wo)街産生的頻(pín)率，同時通過(guò)脈沖計數的(de)方法對B點采(cǎi)樣。

圖2 渦街流(liu)量計電路框(kuàng)圖

    2 渦街流量(liàng)計的标定

    将(jiang)渦街流量計(jì)在标準水裝(zhuāng)置上，分别用(yong)頻譜分析和(he)脈沖✊計數👨‍❤️‍👨的(de)方法進行标(biao)定，流體介質(zhì)爲水未加氣(qì)體，采用的标(biao)準傳🛀🏻感器爲(wèi)精度等級爲(wèi)0.2級的電磁♍流(liu)量計。在每個(ge)流量測量點(diǎn)上的儀表系(xì)數用公式（1）計(jì)算，然後✨用式(shì)（2）計算得到zui終(zhong)儀表系數K。Q_l 爲(wei)被測水的流(liu)量值，f爲每一(yi)個流量點得(de)到的頻率，k爲(wei)⛱️每個測量點(diǎn)得到的儀表(biǎo)系數。k_max 、k_min 分别爲(wei)試驗流量範(fan)圍内得到的(de)zui大與zui小的儀(yí)表系數。儀表(biǎo)系數🏃‍♀️的線性(xing)度E₁ 用式（3）來計(ji)算。

    譜分析和(hé)脈沖計數兩(liang)種不同方法(fa)計算出的渦(wō)街流量計儀(yí)表系數分别(bié)爲：Ks=10107p/m³ ；Kc=10143p/m³ ；計算得到(dao)的儀表系數(shu)線性度分别(bié)爲：1.2%和1.5%。圖3爲儀(yi)表系數随水(shui)流⭐量值變化(huà)的曲線，可以(yǐ)看出，在試驗(yàn)所選流量範(fàn)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼圍内♈，儀表系(xi)數近似于一(yi)個常數，頻譜(pu)分析的結果(guǒ)與脈沖計數(shù)所得到的試(shì)驗結果差别(bié)不大，之間的(de)誤差範圍爲(wèi)0.109%～0.688%。可見被💞測介(jiè)質全部爲水(shuǐ)時🤞兩種測量(liàng)方法并沒有(you)明顯的區别(bié)。

圖3　渦街流量(liàng)計儀表系數(shu)

    3　渦街信号分(fèn)析

    試驗發現(xiàn)，氣相的加入(ru)對渦街流量(liang)計測量的影(ying)響顯著，譜分(fèn)析👅和脈沖計(jì)數兩種方法(fǎ)随着氣相注(zhù)入的增加其(qí)表現也不同(tong)。圖4反映了水(shui)流量12m³ /h時，注入(rù)不同氣含率(lǜ)β時A點的模拟(nǐ)信号，如圖4（a～c）所(suo)示；經譜分析(xī)後♍得📧到的頻(pin)率值，如圖4（d～f）所(suo)示；用脈沖計(ji)數方⁉️法得到(dào)的🔅脈沖信号(hao)，如圖4（g～i）所示。圖(tú)4顯示，當注入(rù)氣量不大時(shi)🌈，對渦街流量(liang)計的影響不(bu)大，無論是譜(pu)分析結果還(hái)是脈沖計數(shu)得到的結果(guǒ)都比較好。當(dāng)注入的氣量(liang)進一步增加(jiā)時，渦街原始(shi)信号👉強度和(he)穩定📧性逐漸(jiàn)變差，渦🆚街頻(pin)率信号會被(bèi)幹擾信号所(suo)淹沒，反映到(dao)譜分析圖❌是(shi)，渦街頻率的(de)譜能量減小(xiǎo)，幹擾信号的(de)譜能量加強(qiang)；對于脈沖信(xin)号，會因爲一(yi)些旋渦信号(hào)減弱，形成脈(mò)沖缺失現⭐象(xiang)，而不能真實(shí)地反映渦街(jiē)産生的頻率(lǜ)。

    表1反映了不(bu)同流量點Q_l 下(xia)，随着注氣量(liàng)Qg的增加，渦街(jie)發生頻率fs和(he)fc的變化情況(kuàng)。結果顯示，對(duì)于不同的水(shuǐ)流量，當注入(ru)的氣體流量(liang)增加到一定(dìng)範圍時，不能(néng)再檢測到渦(wo)街信号；在一(yī)定水流量下(xia)，随着注氣量(liang)的增加譜分(fen)析得到的頻(pin)率值會⛱️變大(dà)，這是由于總(zong)的體積流量(liang)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼增加了，而🈚脈(mò)沖計數法㊙️則(zé)由于産生脈(mo)沖缺失現象(xiàng)所得到的🐕頻(pin)率值減小。因(yīn)♋此在氣液兩(liang)相流下，譜分(fen)析比脈沖計(ji)數法有優勢(shì)，它👈能在較高(gāo)的含氣量依(yi)然能檢測到(dao)💛旋渦脫落的(de)頻率。

圖4 不同(tong)注氣量時頻(pin)率信号圖

    4　渦(wo)街流量計的(de)誤差分析

    将(jiāng)試驗數據進(jin)行處理，得到(dào)了渦街流量(liàng)計測量誤差(cha)随🔞氣相❄️含率(lü)變化的情況(kuàng)，如圖5所示。其(qi)中δs爲譜分析(xī)方法的測量(liang)誤差，δc爲脈沖(chòng)計數方法的(de)測量誤差。渦(wo)街流量計的(de)測量誤差用(yong)式（4）來計算。其(qí)中Qs爲裝置中(zhōng)标準表測量(liàng)出的管道總(zǒng)流量，Qt爲試驗(yan)管段中渦街(jiē)流量計的測(ce)量值。将譜分(fèn)析和脈沖🐪計(jì)數得到的頻(pin)率值和儀表(biǎo)系數分别代(dài)入式（5）計算Qt值(zhi)。從圖⚽中可以(yǐ)看出氣相含(han)率的增加兩(liǎng)種測量🔅方法(fǎ)得到的誤差(chà)并不相同。當(dāng)含氣率不高(gao)時，0<β<6%，譜分析♈法(fǎ)的平均誤差(chà)爲1.226%，zui大誤差爲(wèi)2.687%，脈沖計👅數法(fa)的平均誤差(chà)爲1.583%，zui大誤差爲(wei)2.898%，因此譜分析(xi)法與脈沖計(ji)數法的測量(liàng)誤差區别♻️不(bu)大，譜分析沒(méi)有明顯的優(yōu)勢；在氣相含(hán)率進一步♋增(zeng)加時，6%<β<14%，譜分析(xi)法的平均☁️誤(wu)差爲3.975%，zui大誤差(chà)爲14.058%，脈沖計🍉數(shù)法的平均誤(wu)差爲20.053%，zui大誤差(chà)爲33.130%，脈沖計👄數(shu)🔞的方法得到(dào)的測量誤差(chà)遠大于譜分(fen)析方法。

    含氣(qì)液體測量誤(wù)差産生的主(zhǔ)要原因是：在(zai)氣液兩相流(liu)✌️動中，由于氣(qi)泡對旋渦發(fā)生體的撞擊(jī)作用，氣💃🏻泡對(duì)🏃🏻‍♂️邊界🈲層和👨‍❤️‍👨旋(xuán)渦脫落的影(yǐng)響，以及旋渦(wo)吸入氣泡使(shi)其強度減💔弱(ruò)，使旋♻️渦脈沖(chong)數缺失🛀🏻，缺失(shī)的旋渦數不(bú)穩定🌂，使脈沖(chòng)計數方法測(ce)量的誤差⭕增(zeng)大，而譜分析(xī)的方法在一(yī)段時域内得(dé)到主頻譜作(zuò)爲渦街頻率(lü)值，減小♋了旋(xuan)渦缺失對測(cè)量的影響。所(suǒ)以含氣液體(ti)流體計量中(zhōng)譜分析方法(fa)要好于脈沖(chong)計數的♊方法(fǎ)。

圖5　不同氣相(xiàng)含率下渦街(jie)流量計的測(cè)量誤差

    5　結束(shù)語

    從試驗結(jie)果來看，渦街(jie)流量計在測(cè)量混有少量(liang)氣體的液體(ti)流量時，測量(liang)誤差會顯著(zhe)增加。之所以(yǐ)會♉出現這樣(yàng)的情況，一方(fāng)面，氣體在液(yè)體中會形成(cheng)氣泡，在旋渦(wō)發生🔞體的後(hòu)部形成氣團(tuán)，并且旋渦中(zhōng)心會出現一(yi)個低壓區，吸(xī)入大量質量(liàng)較輕💋的氣泡(pao)，從而削弱了(le)旋渦的能量(liang)，使壓電傳感(gǎn)器檢測不到(dao)旋😍渦，導緻檢(jian)測過程中脈(mo)沖缺失現象(xiang)出現；另一方(fāng)面，由于旋渦(wo)的能量降低(di)，會增加流場(chǎng)本身對旋渦(wo)脫落♌的擾動(dong)，進一步增🚶‍♀️加(jiā)了測量的誤(wu)差。其它方面(miàn)，旋渦發生體(ti)後的氣團，旋(xuan)渦中心⭕區氣(qì)泡的含量、旋(xuan)渦㊙️外的氣泡(pào)量、氣泡的大(da)小💃🏻等等都會(hui)影響測量的(de)結⭐果。

    通過上(shàng)述的試驗結(jie)果及分析表(biǎo)明，單相液體(ti)中混入少量(liang)的氣體時會(huì)導緻渦街旋(xuán)渦強度變弱(ruò)和可靠性變(bian)差，在這💞種條(tiáo)件下測量時(shí)譜分析的方(fāng)法在氣含率(lǜ)📧不大時（0<β<6%）與脈(mo)沖計數的方(fang)法差别不大(dà)，但随⁉️着氣含(han)率😍的進一步(bu)增加（6%<β<14%），譜分析(xi)的方法要好(hǎo)于脈沖計數(shù)的方法。

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