當(dang)流體流(liu)過阻擋(dǎng)體時會(huì)在阻擋(dang)體的兩(liang)側交替(ti)産✌️生旋(xuan)渦，這種(zhǒng)現象稱(chēng)爲卡門(mén)渦街。20世(shì)紀60年代(dai)日本橫(heng)河公☁️司(si)首先利(lì)🍉用卡門(men)渦♌街現(xian)象研制(zhì)出渦街(jie)流量計(ji)，此後渦(wo)街流量(liang)計由于(yú)其諸多(duō)優點‼️得(de)以在工(gōng)業領域(yu)廣泛應(yīng)用[1]。      

    在單(dān)相流體(ti)介質條(tiao)件下對(duì)渦街流(liu)量計的(de)研究相(xiang)對比較(jiao)成熟，研(yán)究者通(tōng)過試驗(yàn)的方法(fa)得到了(le)大量🔆有(you)價㊙️值的(de)試驗💰結(jié)果，并應(yīng)🏃用到渦(wo)街流量(liang)計的開(kāi)發中，使(shi)得渦街(jie)流量計(ji)的測量(liàng)精度、可(ke)靠性得(de)到了很(hěn)大的提(ti)高[2，3]。工業(ye)測量中(zhong)經常會(hui)🚶有這樣(yang)的情況(kuàng)出現：液(ye)體管道(dào)中有時(shí)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(you)于氣液(yè)兩☂️相流(liu)的複雜(zá)性，研究(jiu)這種條(tiao)件下渦(wo)街流量(liàng)計測量(liang)特性的(de)文章不(bu)多。西安(ān)交通大(da)學的李(lǐ)永光[4-6]曾(céng)經在氣(qì)液兩相(xiang)流的豎(shu)直管道(dào)上，對不(bu)同形狀(zhuang)的渦街(jie)發生體(ti)進行了(le)研究，對(duì)不同截(jié)面含氣(qì)率✂️下渦(wō)街的結(jie)構以及(jí)斯🔞特勞(lao)哈爾數(shu)的變化(huà)進行了(le)大量的(de)試🔴驗研(yán)究，并給(gei)出了斯(sī)特勞哈(hā)爾數随(suí)截面含(han)氣率而(er)變化的(de)公式。李(li)永光的(de)工作主(zhu)要是從(cóng)流體力(li)學的角(jiǎo)度對氣(qì)液兩相(xiàng)流中渦(wō)街現象(xiang)的機🙇🏻理(lǐ)進行了(le)研究，其(qí)給💃🏻出的(de)試驗結(jie)🔴果涉及(ji)到截面(mian)含氣率(lǜ)的測量(liang)[4]。本文通(tong)過✍️試驗(yàn)從測量(liàng)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(wō)街流量(liang)計測量(liàng)結果的(de)變化情(qíng)況，并且(qie)測💃量結(jié)果分别(bié)用譜分(fèn)析和脈(mo)沖計數(shu)🐅兩🏒種測(cè)量方式(shi)得到，通(tōng)過比較(jiào)發現在(zai)液含氣(qi)流體條(tiáo)件下譜(pu)分析♌要(yào)明顯優(you)于脈沖(chong)計數的(de)方式。

    1　試(shi)驗裝置(zhi)與試驗(yan)方法

    1.1　試(shi)驗裝置(zhi)

    試驗介(jie)質由已(yǐ)測定流(liú)量的水(shui)和空氣(qì)組成，分(fèn)别送入(rù)管道✨混(hùn)和成氣(qi)液兩相(xiàng)流送入(rù)試驗管(guǎn)段。試驗(yàn)裝置如(rú)圖1所示(shì)。試驗裝(zhuang)置由空(kong)氣壓縮(suo)機、儲氣(qi)罐、蓄水(shui)罐、分離(li)罐、流量(liàng)計、壓力(li)變送器(qi)、溫度變(bian)送器、工(gong)控機和(he)各種閥(fá)門組成(cheng)。

    空氣壓(yā)縮機将(jiang)空氣壓(ya)縮後送(sòng)入儲氣(qì)罐，标準(zhǔn)流量計(jì)1計量氣(qì)液📞混合(hé)前儲氣(qi)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(ce)得。液相(xiang)和氣相(xiàng)經混和(he)🏃‍♀️器混和(hé)後送入(rù)試驗管(guǎn)段，zui後流(liu)入分離(lí)罐将水(shui)和空氣(qì)進行分(fen)離，空氣(qi)由放氣(qì)閥排出(chū)，水由水(shui)泵送回(hui)蓄📧水罐(guan)循環使(shǐ)用。工控(kòng)機對所(suǒ)有儀表(biao)數據進(jin)行采集(ji)和顯示(shi)并對兩(liǎng)個電動(dòng)調節閥(fa)進行控(kòng)制，調節(jie)氣相和(he)液相的(de)流㊙️量。

    試(shì)驗所用(yong)的渦街(jie)流量計(jì)選擇了(le)一台應(ying)用zui多的(de)壓電式(shì)渦街流(liu)🏃量傳感(gan)器，其口(kǒu)徑的直(zhí)徑D=50mm。将渦(wō)街傳感(gan)器放置(zhi)在💯水平(píng)直管段(duàn)上，其上(shang)下遊直(zhi)管段長(zhǎng)度分🚶别(bié)爲30D和🥰20D。壓(ya)力變送(song)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(hun)和器🌂安(an)裝在渦(wō)街流量(liàng)計上遊(you)30D的位置(zhi)。

圖1 氣(qi)液兩相(xiàng)流試驗(yan)裝置

    1.2 試(shi)驗方法(fa)    

    通過流(liú)量計2的(de)測量和(hé)調節電(diàn)動閥2，水(shui)的流量(liàng)取6、8、10、12m³ /h四個(gè)流量值(zhí)。通過電(diàn)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(yīng)用的渦(wō)街流量(liàng)計大部(bu)分是脈(mo)沖輸出(chū)，即💛将♈旋(xuan)渦信号(hào)轉化爲(wèi)脈沖信(xìn)号，通過(guò)對脈沖(chòng)信♈号計(ji)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(ji)主要的(de)🛀🏻缺點是(shi)易受噪(zào)聲幹擾(rao)，對于小(xiǎo)流量來(lai)說由于(yu)信号微(wei)弱難以(yi)與噪聲(sheng)區别。近(jin)幾年随(suí)着🌐數字(zì)信号處(chù)理技術(shù)的發展(zhan)，出現了(le)以DSP爲核(he)心，具有(you)🌈譜分析(xi)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(pín)率信号(hào)的識别(bie)[7-8]。考慮到(dào)這兩種(zhǒng)不同類(lèi)型渦街(jiē)流量計(jì)在工業(yè)現場使(shǐ)用，試驗(yan)中同時(shi)用譜分(fen)析方法(fǎ)和🔆脈沖(chòng)計數方(fang)法對渦(wō)街頻率(lü)進行計(ji)⭕算，并對(duì)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(chéng)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(měi)次采樣(yang)10組數據(jù)，每組數(shu)據有⛱️5×10⁴ 個(gè)采樣點(dian)，将得到(dao)的采樣(yàng)點進行(háng)傅裏葉(ye)變換得(de)到不同(tóng)測🤟量點(dian)渦街産(chǎn)生的頻(pín)率，同時(shi)通過脈(mò)沖計數(shu)的方法(fǎ)對B點采(cai)樣。

圖(tú)2 渦街流(liu)量計電(dian)路框圖(tú)

    2 渦街流(liú)量計的(de)标定

    将(jiāng)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(shù)的方法(fǎ)進行标(biāo)定，流體(ti)介質爲(wei)水未加(jia)氣體，采(cǎi)用的标(biao)準傳感(gǎn)器爲精(jīng)度等級(ji)爲0.2級的(de)電磁🛀🏻流(liú)量計。在(zai)每個🔆流(liú)量測量(liang)點上的(de)儀表系(xì)數用公(gong)式（1）計算(suan)，然後💋用(yong)式（2）計算(suàn)得到zui終(zhong)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(xì)數。k_max 、k_min 分别(bie)爲試驗(yan)流量範(fàn)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(dù)E₁ 用式（3）來(lai)計算。

    譜分析(xī)和脈沖(chòng)計數兩(liǎng)種不同(tong)方法計(jì)算出的(de)渦街流(liu)📞量🔴計儀(yi)表系數(shù)分别爲(wèi)：Ks=10107p/m³ ；Kc=10143p/m³ ；計算得(dé)到的儀(yí)表系數(shù)線性度(dù)分别爲(wèi)：1.2%和1.5%。圖3爲(wèi)儀表系(xì)數随水(shui)流量值(zhí)變化的(de)曲線，可(ke)以看出(chū)，在試驗(yan)所🤩選流(liu)量範圍(wei)内，儀表(biǎo)系數近(jìn)似于一(yi)個常數(shu)，頻譜分(fèn)析的結(jié)果與脈(mò)沖計數(shù)👣所得到(dao)的試驗(yan)結果差(cha)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(mei)有明😘顯(xian)的區别(bié)。

圖3　渦(wo)街流量(liàng)計儀表(biao)系數

    3　渦(wō)街信号(hào)分析

    試(shì)驗發現(xian)，氣相的(de)加入對(dui)渦街流(liu)量計測(cè)量的影(yǐng)響顯著(zhe)🆚，譜分析(xi)和脈沖(chòng)計數兩(liǎng)種方法(fa)随着氣(qì)相注入(ru)的增加(jiā)其表現(xiàn)也不同(tóng)。圖4反映(ying)了水流(liu)量12m³ /h時，注(zhu)入不同(tóng)氣含率(lǜ)β時A點的(de)模拟信(xìn)号，如圖(tú)4（a～c）所示；經(jing)譜分析(xi)後得🌈到(dào)的頻率(lü)值，如圖(tú)4（d～f）所示；用(yòng)脈沖計(jì)數方法(fa)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(da)時，對渦(wo)街流量(liang)計🈲的影(yǐng)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(jin)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(chà)，渦📧街頻(pin)率信号(hào)會被幹(gan)擾信号(hào)所淹沒(mei)，反映到(dao)譜分析(xi)圖是，渦(wo)街頻率(lǜ)的譜能(neng)量減小(xiǎo)，幹擾信(xìn)号的譜(pǔ)能量加(jiā)強；對于(yu)脈沖信(xìn)号，會因(yīn)爲一些(xiē)旋渦信(xin)号減弱(ruo)，形成脈(mo)沖缺失(shi)現💃象，而(ér)不能真(zhen)實地反(fan)映渦街(jiē)産生的(de)頻♉率。

    表1反映(ying)了不同(tóng)流量點(dian)Q_l 下，随着(zhe)注氣量(liang)Qg的增加(jia)，渦街發(fa)生頻率(lü)fs和fc的變(biàn)化情況(kuang)😍。結果顯(xiǎn)示，對于(yu)不同的(de)水流量(liàng)，當注入(ru)的氣體(tǐ)流量增(zēng)加到一(yi)定範圍(wéi)時，不能(neng)再檢測(ce)到渦街(jiē)信号；在(zai)一定水(shui)流量下(xia)，随着注(zhù)氣量的(de)增加譜(pǔ)🐉分析得(dé)到的頻(pin)率值會(hui)變大，這(zhè)是由于(yú)總的📐體(ti)積流量(liàng)增加了(le)，而脈沖(chòng)計數法(fa)則由于(yu)産生脈(mo)沖缺失(shi)現💃象所(suǒ)得到的(de)頻率值(zhí)減小🔞。因(yin)此在氣(qì)液兩相(xiang)流下，譜(pǔ)分析比(bi)脈沖計(ji)數法有(yǒu)優勢，它(ta)能在較(jiào)高的含(han)氣量依(yi)然能檢(jian)測‼️到‼️旋(xuan)渦脫落(luo)的頻率(lü)。

圖4 不(bú)同注氣(qì)量時頻(pin)率信号(hao)圖

    4　渦(wō)街流量(liang)計的誤(wù)差分析(xi)

    将試驗(yan)數據進(jin)行處理(li)，得到了(le)渦街流(liu)量計測(cè)量誤差(cha)☀️随氣相(xiàng)含率變(bian)化的情(qíng)況，如圖(tú)5所示。其(qí)中δs爲譜(pǔ)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(wù)差用式(shi)☔（4）來計算(suàn)🤟。其中Qs爲(wei)裝置中(zhōng)标準表(biǎo)測量出(chu)的管道(dào)總流量(liang)，Qt爲試驗(yan)👉管段中(zhong)渦街流(liu)量計的(de)測量值(zhi)。将譜分(fèn)析和脈(mo)沖計數(shù)得到的(de)🚶‍♀️頻率值(zhi)和儀表(biǎo)系數分(fèn)别代入(rù)🐅式（5）計算(suàn)Qt值。從圖(tu)中可⁉️以(yǐ)看出氣(qì)相含率(lü)的增加(jiā)兩種測(ce)量方法(fa)得到的(de)誤差并(bìng)不相同(tóng)。當含氣(qì)❗率不高(gāo)時，0<β<6%，譜分(fen)析法的(de)平均誤(wù)差爲1.226%，zui大(da)誤🐅差爲(wèi)2.687%，脈沖計(ji)數法的(de)平均誤(wu)差爲1.583%，zui大(da)誤差爲(wei)2.898%，因此譜(pu)分析法(fa)與脈沖(chòng)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(shi)，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(píng)均誤差(chà)爲20.053%，zui大誤(wù)差爲33.130%，脈(mo)💔沖計數(shù)🐪的方法(fǎ)得到的(de)測量誤(wù)差🧡遠大(dà)🏃🏻于譜分(fèn)析方法(fa)。

    含氣液(yè)體測量(liàng)誤差産(chǎn)生的主(zhu)要原因(yin)是：在氣(qì)液兩相(xiang)流動✊中(zhōng)，由于氣(qi)泡對旋(xuan)渦發生(sheng)體的撞(zhuang)擊作用(yòng)，氣泡對(dui)邊界層(ceng)和旋渦(wo)脫落的(de)影響，以(yǐ)及旋渦(wō)吸入氣(qì)⁉️泡使其(qí)強度減(jiǎn)弱，使旋(xuán)渦脈沖(chong)數缺失(shī)✍️，缺失的(de)旋渦數(shu)不穩定(ding)，使脈沖(chong)計📱數方(fāng)法測量(liang)的誤差(cha)增大，而(er)譜💛分析(xī)的方法(fa)在一段(duàn)時域内(nèi)得到主(zhu)頻譜作(zuò)爲渦街(jiē)頻率值(zhí)，減小了(le)旋渦缺(quē)失對測(cè)量的影(ying)響。所以(yǐ)含氣液(yè)體流體(ti)🐅計量中(zhōng)🔴譜分析(xi)方法要(yao)好于脈(mò)沖計數(shù)的方法(fǎ)。

圖(tu)5　不同氣(qì)相含率(lü)下渦街(jie)流量計(ji)的測量(liàng)誤差

    5　結(jie)束語

    從(cong)試驗結(jié)果來看(kan)，渦街流(liú)量計在(zai)測量混(hùn)有少量(liang)氣體的(de)液👄體😘流(liu)量時，測(cè)量誤差(chà)會顯著(zhe)增加。之(zhi)所以會(hui)出現這(zhè)樣的情(qing)㊙️況，一方(fang)面，氣體(ti)在液體(ti)中會形(xíng)成氣泡(pao)，在旋㊙️渦(wo)發生體(ti)的後部(bu)形成氣(qì)團，并且(qie)旋渦中(zhong)心✍️會出(chu)現一個(gè)低壓區(qū)⚽，吸入大(da)量質量(liàng)較輕的(de)氣泡，從(cóng)而削弱(ruo)了旋渦(wō)的能量(liang)，使壓電(diàn)傳感器(qi)檢測不(bu)到旋渦(wō)，導緻檢(jian)測過程(chéng)中脈沖(chong)缺失💃現(xian)象出現(xiàn)；另一方(fang)面，由于(yú)旋渦的(de)能量降(jiàng)低，會增(zeng)加流場(chang)本身對(duì)旋渦脫(tuo)落的擾(rao)動，進一(yī)步增☀️加(jiā)了測量(liàng)的誤差(chà)。其它方(fāng)面，旋渦(wo)發生體(tǐ)後的氣(qì)團，旋渦(wo)中心區(qū)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(cè)量的結(jié)果。

    通過(guò)上述的(de)試驗結(jié)果及分(fèn)析表明(ming)，單相液(ye)體中混(hùn)入少量(liàng)的氣體(tǐ)時會導(dǎo)緻渦街(jiē)旋渦強(qiang)度變弱(ruo)和可靠(kào)性變差(cha)，在這種(zhong)條件下(xia)💁測量時(shi)譜分析(xī)的方法(fǎ)在😘氣含(han)率不大(da)時（0<β<6%）與脈(mo)沖計數(shù)的💔方法(fa)差别不(bú)大，但随(suí)着氣含(han)率☂️的進(jin)一步增(zeng)加（6%<β<14%），譜分(fèn)析的方(fang)法🔴要好(hao)于脈🏃‍♂️沖(chong)計數的(de)方法。

    參(can)考文獻(xian)：

    [1]　PankaninGL.Thevortexflowmeter：Variousmethodsofinvestigatingphenomena[J].MeasSciTechnol，2005，16：R1-R16.
    [2]BentleyJP，MuddJW.Vortexsheddingmechanismsinsingleanddualbluffbodies[J].FlowMeasurementandInstrumentation，2003（14）：23-31.
    [3]BentleyJP，BensonRA.Designconditionsforopti2maldualbluffbodyvortexflowmeter[J].FlowMeasInstrum，1993（4）：205-213.
    [4]李永光(guang)，林宗虎(hǔ)，王樹衆(zhong).氣液兩(liang)相流體(tǐ)渦街中(zhōng)旋渦結(jie)構♍的特(te)性研究(jiu)[J].西安交(jiao)通大學(xue)學報，1996，30（2）：36-41.
    [5]李(li)永光，林(lin)宗虎.氣(qi)液兩相(xiang)渦街的(de)數值計(ji)算[J].力學(xue)與實踐(jiàn)，1997，19（3）：14-18.
    [6]李永光(guāng)，林宗虎(hǔ).氣液兩(liǎng)相渦街(jie)穩定性(xìng)的研究(jiū)[J].力學學(xue)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻報，1998，30（2）：138-144.
    [7]徐科(ke)軍，呂迅(xùn)宏，陳榮(rong)保，等.基(ji)于DSP、具有(you)譜分析(xī)功能的(de)渦街流(liú)🐪量♌計信(xin)号處理(lǐ)系統[J].儀(yi)器儀表(biao)學報，2001，22（3）：255-264.
    [8]孫(sūn)宏軍，張(zhāng)濤，淩箐(qìng).基于松(song)弛陷波(bo)周期圖(tu)法的渦(wō)街流量(liang)計信号(hào)處理技(ji)術的研(yan)究[J].儀器(qi)儀表學(xué)報，2004，25（5）：577-581