當(dāng)流體流(liú)過阻擋(dǎng)體時會(hui)在阻擋(dang)體的兩(liǎng)側交替(ti)産生旋(xuán)渦，這種(zhǒng)現象稱(chēng)爲卡門(men)渦街。20世(shì)紀60年代(dai)日本橫(héng)河公司(si)首先利(li)🎯用卡門(mén)渦街現(xiàn)象研制(zhi)出渦街(jie)流量計(ji)，此後渦(wō)街流量(liàng)計由㊙️于(yu)其諸多(duo)優點得(de)以在工(gong)業領域(yù)廣泛應(ying)用[1]。      

    在單(dān)相流體(tǐ)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(yan)的方法(fǎ)得到了(le)大量有(you)價值的(de)試驗結(jie)果，并應(ying)🏃‍♀️用到渦(wō)街流量(liang)計的開(kāi)發中，使(shǐ)得渦街(jie)流量計(ji)的測量(liàng)精度、可(ke)靠性得(de)到了很(hen)大的提(ti)高[2，3]。工業(ye)測量中(zhong)經常會(hui)有這樣(yàng)的情況(kuang)出現：液(ye)體管道(dao)中有時(shí)會混入(ru)少量的(de)氣體，被(bei)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(za)性，研究(jiu)這種條(tiáo)件✂️下渦(wō)街流量(liang)計🌍測量(liàng)特性的(de)文章不(bu)多。西安(ān)💁交通大(dà)學的李(lǐ)永光[4-6]曾(ceng)經在氣(qi)液兩相(xiang)流的豎(shù)直管道(dao)上，對不(bu)同形狀(zhuang)的渦街(jiē)發生體(tǐ)進行了(le)研究，對(duì)不同截(jie)面含氣(qì)率下渦(wo)街的結(jie)構以及(ji)斯特勞(láo)哈爾數(shù)的變化(hua)進行了(le)大量的(de)🔴試驗研(yán)究，并給(gěi)出了斯(si)特勞哈(ha)爾數随(suí)截面含(hán)氣率而(er)變化✔️的(de)公式。李(li)永光的(de)工作主(zhǔ)要是從(cóng)流體力(li)學的角(jiao)度⁉️對氣(qi)液兩相(xiàng)流中渦(wō)街現象(xiàng)的機理(lǐ)進✌️行了(le)研究，其(qi)給出的(de)試驗結(jié)果涉及(ji)到截面(miàn)含氣率(lǜ)的測量(liàng)[4]。本文通(tong)過試驗(yan)從測量(liang)的角度(du)，研究了(le)水平管(guan)道中含(han)有少量(liàng)氣體的(de)液體條(tiáo)件下渦(wō)街流量(liang)計測量(liàng)🏃‍♀️結果的(de)變化情(qing)況，并且(qiě)測💃量結(jie)果分别(bié)用譜分(fen)析和脈(mo)沖計數(shu)兩種測(ce)量方式(shì)得到，通(tōng)過✉️比較(jiào)發現在(zai)液含♉氣(qi)流體條(tiáo)件下譜(pǔ)分析要(yao)明顯優(you)于脈沖(chòng)計數的(de)方式。

    1　試(shi)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(yǐ)測定流(liú)量的水(shui)和空氣(qi)組成，分(fen)别送入(ru)💋管🔞道混(hun)和成氣(qì)液兩相(xiàng)流送入(rù)試驗管(guan)段。試驗(yàn)裝置如(rú)圖1所示(shi)。試驗裝(zhuāng)置由空(kong)氣壓縮(suō)機、儲氣(qi)罐、蓄水(shuǐ)罐、分離(lí)罐、流量(liang)🈚計、壓力(li)變送器(qi)、溫度變(biàn)送器、工(gong)控機和(he)各種閥(fá)門組成(chéng)。

    空氣壓(ya)縮機将(jiang)空氣壓(ya)縮後送(song)入儲氣(qì)罐，标準(zhun)流量計(jì)1計量🔱氣(qì)液混合(hé)前儲氣(qì)罐送入(ru)管道的(de)氣體流(liu)量。蓄水(shui)罐距離(lí)地面30m，提(tí)供試驗(yan)所需的(de)液相，其(qí)流量由(you)🥵标準流(liu)量計2測(cè)得。液相(xiang)和氣相(xiang)經混和(he)器混和(he)後送入(rù)試驗管(guan)段，zui後流(liú)入分離(li)罐将水(shuǐ)和空氣(qì)進行分(fèn)離，空氣(qì)由放氣(qi)閥排出(chū)，水由水(shui)泵送回(huí)蓄水罐(guàn)循環使(shi)用。工控(kòng)機對所(suo)有儀表(biao)數據進(jìn)行采集(jí)和顯示(shi)并對兩(liǎng)個電動(dong)調節閥(fa)進行控(kong)制，調節(jie)氣相和(hé)液相的(de)流量。

    試(shi)驗所用(yòng)的渦街(jie)流量計(jì)選擇了(le)一台應(yīng)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(gǎn)器放🌍置(zhi)在水平(ping)直管段(duàn)上，其上(shàng)下遊直(zhí)管段長(zhang)度分别(bie)爲30D和🏃🏻20D。壓(ya)力變送(sòng)器和溫(wen)度變送(song)器分✂️别(bié)放在渦(wō)街流量(liang)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(yóu)30D的位置(zhi)。

圖1 氣(qì)液兩相(xiang)流試驗(yàn)裝置

    1.2 試(shi)驗方法(fǎ)    

    通過流(liu)量計2的(de)測量和(he)調節電(dian)動閥2，水(shui)的流量(liang)取6、8、10、12m³ /h四個(gè)流量值(zhí)。通過電(diàn)動閥1控(kong)制，流量(liàng)計1顯示(shi)空氣注(zhu)💁入量的(de)範圍爲(wei)0.3～1.8m³ /h，其壓力(li)範圍爲(wèi)0.4～0.5MPa。

    目前工(gōng)業中應(yīng)用的渦(wo)街流量(liang)計大部(bu)分是脈(mo)沖輸出(chū)，即将旋(xuán)✉️渦信号(hao)轉化爲(wèi)脈沖信(xin)号，通過(guò)對脈沖(chòng)信⛹🏻‍♀️号計(jì)數計算(suàn)出旋渦(wō)脫落的(de)頻率。脈(mò)沖輸出(chū)的渦街(jie)流量計(ji)主要的(de)缺點是(shi)易受噪(zào)聲幹擾(rǎo)🔱，對于小(xiǎo)流量😍來(lai)說由于(yú)☂️信号微(wēi)弱🧑🏽‍🤝‍🧑🏻難以(yi)與噪聲(shēng)區别。近(jìn)幾年随(sui)着💋數字(zi)信号處(chù)理技術(shu)的發展(zhan)，出現了(le)以DSP爲核(he)心，具有(you)譜分析(xī)功能🔞的(de)渦街流(liú)量計，這(zhè)種方法(fa)提高了(le)對微弱(ruo)渦街頻(pín)率信号(hào)的識别(bié)[7-8]。考慮到(dào)這兩種(zhǒng)不同類(lei)型渦街(jie)流量計(ji)在工業(yè)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(lǜ)進行計(jì)算，并對(duì)兩種方(fang)法進行(háng)🏃‍♀️了比較(jiao)。

    渦街流(liu)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(lǜ)對A點的(de)模拟信(xin)号進行(háng)采樣，每(měi)次采樣(yàng)10組數據(ju)，每組數(shù)🍉據有5×10⁴ 個(ge)采樣點(diǎn)，将得到(dào)的采樣(yàng)點進行(hang)傅裏葉(yè)變換得(dé)到不同(tóng)測量點(diǎn)渦街産(chan)生的頻(pin)率，同時(shi)通過脈(mo)沖計數(shu)的方法(fǎ)對B點采(cai)樣。

圖(tu)2 渦街流(liú)量計電(dian)路框圖(tu)

    2 渦街流(liu)量計的(de)标定

    将(jiang)渦街流(liu)量計在(zài)标準水(shui)裝置上(shàng)，分别用(yòng)頻譜分(fèn)析和脈(mo)沖計數(shu)的方法(fǎ)進行标(biāo)定，流體(ti)介質爲(wèi)水未加(jiā)氣體，采(cǎi)用🛀🏻的标(biāo)準傳感(gan)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(liu)量測量(liang)點上✍️的(de)儀表系(xi)數用公(gōng)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(bei)測水的(de)流量值(zhí)，f爲每一(yī)個流量(liàng)點得到(dào)的頻率(lü)，k爲每個(ge)測量點(diǎn)得到的(de)儀表系(xi)數。k_max 、k_min 分别(bie)爲試驗(yan)流量範(fan)圍内得(dé)到的zui大(dà)與zui小的(de)儀表系(xì)❗數📱。儀表(biǎo)🌈系數的(de)線性度(du)E₁ 用式（3）來(lái)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(liú)🥵量計儀(yí)表系數(shu)分别爲(wei)：Ks=10107p/m³ ；Kc=10143p/m³ ；計算得(de)到的儀(yi)表系數(shu)線性度(dù)分别爲(wei)：1.2%和1.5%。圖3爲(wei)儀表⭐系(xì)數随水(shui)流量值(zhi)變化的(de)曲線，可(kě)以看出(chu)，在試驗(yàn)所選流(liú)量範圍(wei)内，儀表(biǎo)系數近(jin)似于一(yi)個常數(shu)，頻譜分(fèn)析的結(jié)🙇‍♀️果與脈(mo)沖計數(shù)所得到(dao)的試驗(yàn)☎️結果差(cha)别不👨‍❤️‍👨大(dà)，之間的(de)誤差範(fàn)圍爲0.109%～0.688%。可(ke)見被測(ce)介質全(quan)部爲水(shuǐ)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(liang)計儀表(biǎo)系數

    3　渦(wo)街信号(hào)分析

    試(shi)驗發現(xian)，氣相的(de)加入對(dui)渦街流(liú)量計測(ce)量的影(ying)響顯著(zhe)，譜分析(xi)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(tong)。圖4反映(ying)了水流(liú)量12m³ /h時，注(zhù)入不同(tong)氣含率(lǜ)β時A點的(de)模拟信(xìn)号，如圖(tu)4（a～c）所示；經(jing)譜分析(xī)後得到(dao)的頻率(lü)值，如圖(tu)4（d～f）所示；用(yòng)脈沖計(ji)數方🏃🏻法(fǎ)得☂️到的(de)脈沖信(xin)号，如圖(tu)4（g～i）所示。圖(tu)4顯示，當(dang)注入氣(qì)量👈不大(da)時，對渦(wo)街流量(liàng)計的影(ying)響🐆不大(da)，無論是(shì)譜分析(xi)👅結果還(hái)是脈沖(chòng)計數得(de)到的結(jié)果都比(bǐ)較好。當(dang)注入💁的(de)氣量進(jin)一步增(zēng)加時，渦(wō)街原始(shi)信号強(qiang)度和穩(wen)定性逐(zhú)漸變差(chà)🏃‍♀️，渦街頻(pín)率信号(hào)會被幹(gàn)擾信号(hao)所淹沒(mei)，反映到(dao)譜分析(xi)圖是，渦(wō)街頻率(lǜ)的譜能(néng)量減小(xiao)，幹擾信(xin)✔️号的譜(pǔ)能量加(jiā)強‼️；對于(yu)脈沖信(xìn)号，會因(yīn)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(zhen)實地反(fǎn)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(lǜ)fs和fc的變(biàn)化情👌況(kuàng)。結果顯(xian)示🌈，對于(yu)不同的(de)水流量(liàng)，當注入(ru)的氣體(tǐ)流👅量增(zeng)加到㊙️一(yī)定範圍(wei)💯時，不能(neng)再檢測(cè)到渦街(jiē)信号；在(zài)一定水(shuǐ)流量下(xià)，随着注(zhu)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(tǐ)積流量(liang)增加了(le)，而脈沖(chong)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(qi)液兩相(xiàng)流下，譜(pu)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(yī)然能檢(jian)測到旋(xuan)渦脫落(luo)的頻率(lü)。

圖4 不(bu)同注氣(qì)量時頻(pín)率信号(hào)圖

    4　渦(wo)街流量(liàng)計的誤(wù)差分析(xī)

    将試驗(yan)數據進(jin)行處理(lǐ)，得到了(le)渦街流(liú)量計測(cè)量誤差(chà)随氣相(xiàng)🆚含率變(bian)化的情(qing)況，如圖(tú)5所示。其(qí)中δs爲譜(pǔ)分析方(fang)法的測(ce)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(wèi)裝置中(zhōng)标準表(biǎo)測量出(chū)的管道(dao)總流量(liang)，Qt爲試驗(yàn)⛹🏻‍♀️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(zhí)和儀🥵表(biǎo)系數分(fen)别代入(rù)🔞式（5）計算(suan)Qt值。從圖(tu)中可以(yi)看出氣(qì)相含率(lǜ)的增加(jiā)兩種測(cè)量方法(fa)得到的(de)誤🆚差并(bing)不相同(tóng)。當含氣(qi)率不高(gāo)時，0<β<6%，譜分(fen)析法🈲的(de)平均誤(wu)差爲1.226%，zui大(dà)誤差爲(wei)2.687%，脈沖計(jì)數法的(de)平均誤(wù)差爲1.583%，zui大(dà)🔞誤差爲(wèi)2.898%，因此譜(pu)分析法(fa)與脈沖(chòng)👄計數法(fa)的測量(liang)🔴誤差區(qu)别不大(da)，譜分析(xi)沒有明(ming)顯的優(yōu)✨勢；在氣(qi)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(mò)沖計數(shù)法的平(píng)均誤差(cha)爲20.053%，zui大誤(wù)差爲33.130%，脈(mò)沖計數(shu)的方法(fa)得到的(de)測量誤(wu)差🚩遠大(da)于譜分(fèn)析方法(fǎ)。

    含氣液(yè)體測量(liang)誤差産(chan)生的主(zhǔ)要原因(yin)是：在氣(qì)液兩相(xiàng)流動中(zhong)，由于氣(qì)泡對旋(xuan)渦發生(shēng)體的撞(zhuàng)擊作用(yong)，氣💜泡對(duì)邊界層(ceng)和旋渦(wo)脫落🆚的(de)影響，以(yǐ)及旋渦(wo)吸入氣(qi)📱泡使其(qí)強度減(jiǎn)弱，使旋(xuan)❤️渦脈沖(chong)數缺失(shī)👈，缺失的(de)旋渦數(shu)不穩定(ding)，使脈沖(chòng)計數方(fāng)法測量(liang)的誤差(chà)增大，而(er)譜分析(xī)的方法(fǎ)在一段(duàn)時域内(nei)得到主(zhu)頻🏒譜作(zuò)爲渦街(jie)頻率值(zhí)，減小了(le)旋渦缺(que)失對測(cè)量的影(yǐng)響。所以(yi)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(tú)5　不同氣(qì)相含率(lü)下渦街(jie)流量計(ji)的測量(liang)誤差

    5　結(jié)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(liang)氣體的(de)液體👉流(liú)量時，測(ce)量誤差(cha)會顯著(zhe)增加。之(zhī)所以會(huì)出現這(zhè)樣☔的情(qíng)況，一方(fāng)面，氣體(ti)在液體(ti)中會形(xíng)成氣📱泡(pào)，在旋🙇🏻渦(wō)發生體(tǐ)的後✏️部(bù)形成氣(qì)團，并且(qiě)旋渦中(zhōng)心💁會出(chū)現一個(gè)低壓區(qū)，吸入大(dà)量質量(liang)較輕的(de)氣泡，從(cong)而削弱(ruo)了旋⭐渦(wō)的能量(liàng)，使🏃🏻‍♂️壓電(dian)傳感器(qì)檢測不(bu)到旋㊙️渦(wo)，導緻檢(jiǎn)測❤️過程(chéng)中脈沖(chong)缺失現(xian)象出現(xiàn)；另一方(fang)面，由于(yu)旋渦的(de)能量降(jiang)低，會增(zēng)加流場(chǎng)本身對(duì)旋渦脫(tuo)落的擾(rǎo)動，進一(yi)步增加(jiā)了測量(liàng)的誤差(cha)。其⭐它方(fāng)面，旋🤩渦(wo)發生體(ti)後的氣(qi)團，旋渦(wo)中心區(qu)氣泡的(de)含量、旋(xuan)渦外的(de)氣泡量(liàng)、氣泡的(de)大小等(děng)等都會(huì)影響測(ce)量的結(jie)㊙️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(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(chà)，在這㊙️種(zhong)條件下(xia)測量時(shí)譜分析(xī)的方法(fa)在氣含(hán)率不大(da)時（0<β<6%）與脈(mò)沖計數(shu)的方法(fǎ)差别不(bu)大，但随(sui)着氣含(hán)率🌈的進(jìn)一步增(zeng)加（6%<β<14%），譜分(fen)析的方(fang)法要好(hao)于脈沖(chong)計數的(de)方法。

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