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(cheng)爲卡門渦街(jie)。20世紀60年代日(rì)本橫河公司(si)首先利用卡(kǎ)門渦街現象(xiàng)研制出渦街(jie)流量計，此後(hou)渦街流量計(ji)由于其諸多(duo)優點得以在(zài)工業領域廣(guang)泛應用[1]。      

    在單(dān)相流體介質(zhi)條件下對渦(wo)街流量計的(de)研究相對比(bi)❗較成熟，研究(jiū)者通過試驗(yan)的方法得到(dào)了大量有價(jià)值的試驗結(jié)果，并應用到(dào)渦街流量計(jì)的開發🛀🏻中，使(shǐ)得🤞渦街流量(liang)計的測量精(jīng)度、可靠性得(de)到了很大的(de)提高[2，3]。工業測(cè)量中經常會(huì)有這樣的情(qing)況出現：液體(ti)管道中有時(shi)會混入少量(liang)的氣體，被測(cè)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(zhǒng)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(fā)生體進行了(le)研究，對不同(tong)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(yan)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(li)永光的工作(zuo)主要是從流(liu)體力學的角(jiǎo)度對氣☂️液兩(liang)相流中渦街(jiē)現象的機理(lǐ)進行了研究(jiu)，其給🧑🏾‍🤝‍🧑🏼出的試(shì)驗結果🌍涉及(jí)到截面含氣(qi)率的測量[4]。本(běn)文通過試驗(yàn)從測量的角(jiǎo)⚽度，研究🌏了水(shuǐ)平管道中含(hán)有少量氣體(ti)的液體❄️條件(jiàn)下渦街🏒流量(liàng)計測量結果(guǒ)的變化情況(kuàng)，并且測量結(jié)果分别用譜(pǔ)分析和脈沖(chong)計數💯兩種測(ce)量方式得到(dao)，通過比較發(fa)現在液含氣(qì)流體條件下(xia)譜分析要明(míng)顯優于脈沖(chòng)計🐪數的方式(shi)。

    1　試驗裝置與(yu)試驗方法

    1.1　試(shì)驗裝置

    試驗(yàn)介質由已測(ce)定流量的水(shui)和空氣組成(chéng)，分别送‼️入管(guan)道混和成氣(qi)液兩相流送(sòng)入試驗管段(duàn)。試驗裝🌈置如(rú)圖1所示。試驗(yan)裝📱置由空氣(qì)壓縮機、儲氣(qi)罐、蓄水罐、分(fèn)離罐、流量💁計(ji)、壓力變送器(qi)🌂、溫度變送器(qi)、工控機和各(ge)種閥🐪門組成(chéng)。

    空氣壓縮機(ji)将空氣壓縮(suō)後送入儲氣(qi)罐，标準流量(liang)計1計🔞量🍉氣液(ye)混合前儲氣(qì)罐送入管道(dào)的氣體流量(liang)🏃‍♂️。蓄水罐距離(li)地面30m，提供試(shì)驗所需的液(ye)相，其流量由(you)标準流量計(jì)2測得。液相和(hé)氣相經混和(hé)器混和後送(song)入試驗管🔅段(duan)，zui後流入分離(li)罐将🔆水和空(kong)氣進行分離(lí)，空氣由放氣(qì)閥排出，水由(you)水泵送回蓄(xù)水罐循環使(shǐ)✨用。工控機對(duì)所有儀表數(shu)據進❌行采集(jí)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(liú)量。

    試驗所用(yong)的渦街流量(liang)計選擇了一(yī)台應用zui多的(de)壓♌電式渦街(jie)流量傳感器(qì)，其口徑的直(zhí)徑D=50mm。将渦街傳(chuán)感器放㊙️置在(zai)📱水平🔞直管段(duan)上，其上下遊(you)直管段長度(dù)分别爲30D和20D。壓(ya)力變🔞送器和(hé)✉️溫度變送器(qì)分别放在渦(wo)街流量傳感(gǎn)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(jì)上遊30D的位置(zhi)。

圖1 氣液兩相(xiang)流試驗裝置(zhì)

    1.2 試驗方法    

    通(tong)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(gè)流量值。通過(guo)電動閥1控制(zhi)，流量計1顯示(shì)空氣注入量(liang)的範❓圍爲0.3～1.8m³ /h，其(qí)壓力範圍爲(wèi)0.4～0.5MPa。

    目前工業中(zhōng)應用的渦街(jie)流量計大部(bù)分是脈沖輸(shū)出，即将旋渦(wō)信号轉化爲(wèi)脈沖信号，通(tong)過對脈沖信(xin)号計🐅數計算(suàn)出旋渦😘脫落(luo)的頻率。脈沖(chòng)輸出的渦街(jie)流量計🔞主要(yao)的缺點是易(yi)受噪聲幹擾(rao)，對于小流量(liang)💘來說由于信(xìn)号微弱難以(yǐ)與噪🈲聲區别(bié)。近幾年随着(zhe)數字信号處(chù)理技術的發(fa)展，出現了以(yi)⭐DSP爲核心，具有(you)譜分析功能(néng)的渦街流量(liàng)計，這種方法(fa)提高了對微(wēi)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(mò)沖計數方🌈法(fǎ)對渦😄街頻率(lǜ)進行計算，并(bing)🤩對兩種方法(fa)進行了比較(jiào)。

    渦街流量計(ji)的轉換電路(lu)流程圖如圖(tú)2所示。以5000Hz的頻(pín)率對A點的模(mo)拟信号進行(háng)采樣，每次采(cǎi)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(diǎn)進行傅裏葉(yè)變換得到不(bú)同測量點📱渦(wō)街産生的頻(pin)率，同時通過(guo)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(kuang)圖

    2 渦街流量(liàng)計的标定

    将(jiāng)渦街流量計(ji)在标準水裝(zhuang)置上，分别用(yong)頻譜分析和(he)脈❤️沖計數的(de)方法進行标(biāo)定，流體介質(zhi)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(liú)量計。在每個(gè)流量測量點(dian)上的儀表系(xi)數用公式（1）計(ji)算，然後用式(shi)（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(wèi)每個🛀測量點(diǎn)得到的儀表(biao)系數。k_max 、k_min 分别爲(wei)試驗流量範(fàn)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(wo)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(yí)表系數随水(shui)流量值變化(hua)的曲線，可以(yi)看出，在試驗(yan)所選流量範(fàn)🔅圍内，儀表♈系(xi)數近似于一(yī)個常數，頻譜(pu)分析的結💚果(guo)與脈沖計數(shu)所得到的試(shì)驗結果差别(bie)不大，之間的(de)誤差範圍🔆爲(wei)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(yǒu)明顯的區别(bie)。

圖3　渦街流量(liàng)計儀表系數(shu)

    3　渦街信号分(fen)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(ji)數兩種方法(fa)随着氣相注(zhù)入🌏的增加其(qi)表現也不🛀🏻同(tóng)。圖👌4反映了水(shuǐ)流量12m³ /h時，注入(ru)不同氣含率(lü)β時A點的模拟(ni)信号，如圖4（a～c）所(suǒ)示；經🌂譜分析(xī)後得🤩到的頻(pín)率值，如圖4（d～f）所(suo)示；用脈沖計(ji)數方法得到(dao)的脈沖⚽信号(hao)，如圖4（g～i）所示。圖(tú)4顯示，當注入(ru)氣量不大時(shí)，對渦街流量(liàng)計的影響不(bú)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(liàng)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(pín)率信号會🔆被(bèi)幹擾信号所(suǒ)淹沒，反映到(dào)譜分析圖是(shì)，渦街頻率的(de)譜能量減小(xiao)，幹擾信号的(de)譜能量加強(qiáng)⚽；對于脈沖信(xin)号，會因爲一(yi)些旋渦信号(hao)減弱，形成脈(mò)沖缺失現象(xiàng)，而不能真實(shí)地反🈲映渦街(jie)産生的頻率(lü)。

    表1反映了不(bu)同流量點Q_l 下(xià)，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(liàng)增加到一定(ding)範圍時，不能(neng)再檢測到渦(wo)街信号；在一(yī)定水流量下(xia)，随着注氣量(liàng)的增加譜分(fen)析得到的頻(pin)率值會變大(da)，這是👈由于總(zǒng)的體積流量(liang)增加了，而脈(mo)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(fèn)析比脈沖計(ji)數法有💚優勢(shi)，它能在較高(gāo)的含氣量依(yī)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(dao)了渦街流量(liàng)計測量誤差(cha)随氣😄相含率(lǜ)變化的情況(kuang)，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(chong)計數方法的(de)測量誤差。渦(wō)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(zhong)标準表測量(liang)出的管道總(zǒng)流量，Qt爲試驗(yàn)管段中渦街(jiē)流量計的測(cè)量值。将譜分(fen)析和脈沖計(ji)數得到的📞頻(pin)率值和儀㊙️表(biao)系數分别代(dai)入㊙️式（5）計算Qt值(zhi)。從圖中可♌以(yǐ)看出氣相含(hán)率的增加兩(liǎng)種測量方法(fa)得到的誤⚽差(chà)并不相同。當(dang)含氣🔞率不高(gāo)時，0<β<6%，譜分析💚法(fǎ)的平均誤差(cha)爲1.226%，zui大誤差爲(wèi)2.687%，脈沖計數法(fǎ)的🌐平均誤差(chà)爲1.583%，zui大💃🏻誤差爲(wèi)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(mei)有明顯的優(you)勢；在氣相含(han)率進一步增(zēng)加時，6%<β<14%，譜分析(xi)法的平均誤(wù)差爲🐕3.975%，zui大誤差(chà)爲14.058%，脈沖計💯數(shù)法的平🌈均誤(wù)差爲20.053%，zui大誤差(chà)爲33.130%，脈沖計數(shu)的方法得到(dao)的測量誤差(chà)遠大于譜分(fèn)析方法。

    含氣(qi)液體測量誤(wù)差産生的主(zhu)要原因是：在(zai)氣液兩相流(liú)動中，由于氣(qì)泡對旋渦發(fa)生體的撞擊(ji)作用，氣泡對(duì)邊界層和旋(xuan)渦🔴脫落的影(ying)響，以及旋渦(wō)吸入氣泡使(shi)其強度減❓弱(ruo)，使旋渦脈沖(chong)數缺失，缺失(shi)的旋渦數不(bú)穩定，使脈沖(chong)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(zuo)爲渦街頻率(lǜ)值，減小了旋(xuan)渦缺失對測(cè)量的影響。所(suǒ)以含氣液體(tǐ)流體📱計量中(zhong)譜分析方法(fǎ)要好于脈沖(chong)計數的方法(fǎ)。

圖5　不同氣相(xiang)含率下渦街(jie)流量計的測(ce)量誤差

    5　結束(shu)語

    從試驗結(jié)果來看，渦街(jie)流量計在測(cè)量混有少量(liàng)氣體的液體(ti)流量時，測量(liàng)誤差會顯著(zhe)增加。之所以(yi)會出現這樣(yang)的情🏃🏻況，一😘方(fāng)面，氣體在液(ye)體中會形成(chéng)氣泡，在旋🈲渦(wo)發生體的後(hou)部形成氣團(tuán)，并且旋渦中(zhong)心💚會出現一(yi)個低壓區，吸(xī)入大量質量(liang)較輕的氣泡(pao)，從而削弱了(le)旋渦的能量(liang)，使壓電傳感(gan)器檢測不到(dào)旋渦，導緻檢(jian)測過程中脈(mo)沖缺失現象(xiàng)出現；另一方(fang)面，由于旋渦(wo)♌的能量‼️降低(di)，會增加流場(chǎng)本身對旋渦(wō)脫落🔞的擾動(dong)，進一步增加(jia)了測量的誤(wù)差。其🔞它方面(miàn)，旋渦發生體(ti)後的氣團，旋(xuán)🔅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(shang)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(hui)導緻渦街旋(xuán)渦強度變弱(ruo)和可靠性變(bian)差💚，在這種條(tiáo)件下測量時(shí)譜分析的方(fang)法在氣含率(lü)不大時💞（0<β<6%）與脈(mo)沖計數的方(fāng)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(xī)的方法要好(hǎo)于脈沖計數(shù)的方法。

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