當(dang)流體流(liú)過阻擋(dang)體時會(huì)在阻擋(dang)體的兩(liǎng)側交替(ti)産生旋(xuán)渦，這種(zhong)現象稱(chēng)爲卡門(men)渦街。20世(shì)紀60年代(dài)日本橫(heng)河公司(si)首先利(li)用卡門(men)渦街現(xian)象研制(zhi)出渦街(jie)流量計(ji)，此後渦(wō)街流量(liang)計由于(yu)其諸多(duō)優點得(dé)以在工(gong)業領域(yù)廣泛應(yīng)用[1]。      

    在單(dan)相流體(ti)介質條(tiáo)件下對(dui)渦街流(liú)量計的(de)研究相(xiàng)對🐆比較(jiào)成熟，研(yán)究者通(tong)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(ying)用到渦(wo)街流量(liang)計的開(kai)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(zhōng)經常會(huì)♉有這樣(yang)的💃🏻情況(kuàng)出現：液(yè)體管道(dao)中有時(shi)會混入(ru)少量的(de)氣體，被(bèi)測流質(zhi)變成了(le)氣液兩(liang)相流。由(you)于氣液(ye)兩相流(liu)的複雜(za)性，研究(jiu)這種條(tiáo)件下渦(wo)街流量(liàng)計🍓測量(liàng)特性的(de)文章不(bu)多。西安(an)交通大(dà)學的李(li)永光[4-6]曾(ceng)經在氣(qì)液兩👈相(xiàng)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(qi)率下渦(wō)街的結(jie)構以及(jí)斯👉特勞(lao)哈爾數(shù)的變化(hua)進💛行了(le)大量的(de)試驗研(yan)究，并給(gěi)出了斯(si)特💰勞哈(hā)爾數随(suí)截面含(han)氣率而(er)變化的(de)公式。李(lǐ)永光的(de)工作主(zhǔ)要㊙️是從(cong)流體力(li)學的角(jiǎo)度對氣(qì)🧡液兩相(xiang)流中渦(wo)街現象(xiàng)的機理(lǐ)進行了(le)研究，其(qí)給出的(de)試驗結(jié)🙇‍♀️果🏒涉及(ji)到截面(mian)含氣率(lǜ)的測量(liàng)[4]。本文通(tong)過試驗(yan)從測量(liàng)的角度(dù)，研究了(le)水平管(guǎn)道中含(hán)有少量(liang)氣☀️體的(de)液體條(tiáo)件下渦(wo)街流量(liang)計測量(liang)結果的(de)變化情(qíng)況，并且(qiě)測⭕量結(jie)果分别(bié)用譜分(fèn)析和脈(mò)沖計數(shù)❄️兩🏃‍♂️種測(cè)量方式(shi)得到，通(tōng)過🆚比較(jiào)發現在(zài)液含氣(qi)流體條(tiao)件下譜(pu)分析要(yào)明顯優(yōu)于脈沖(chong)計數的(de)方式。

    1　試(shì)驗裝置(zhi)與試驗(yan)方法

    1.1　試(shi)驗裝置(zhì)

    試驗介(jie)質由已(yǐ)測定流(liu)量的水(shuǐ)和空氣(qì)組成，分(fèn)别送入(ru)管✌️道混(hun)和成氣(qì)液兩相(xiang)流送入(ru)試驗管(guǎn)段。試驗(yan)裝置如(ru)❌圖1所示(shi)。試驗裝(zhuang)置由空(kōng)氣壓縮(suō)機、儲氣(qì)罐、蓄水(shui)罐、分離(li)罐、流量(liàng)🌂計、壓力(lì)🏃‍♂️變送器(qì)、溫度變(biàn)送器、工(gōng)控機和(hé)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(zhǔn)流量計(jì)1計量氣(qi)液混合(he)前儲氣(qì)罐送入(ru)管道的(de)氣體流(liu)量⛱️。蓄水(shuǐ)罐距離(li)地面30m，提(tí)供試驗(yàn)所需的(de)液相，其(qi)流量由(you)标準流(liu)量計2測(ce)得。液相(xiàng)和氣相(xiang)經混和(hé)器混和(hé)後送入(rù)試驗管(guan)段，zui後流(liu)入㊙️分離(lí)罐将水(shuǐ)和空氣(qì)進行分(fen)離📞，空氣(qì)由放氣(qi)🔞閥排出(chu)，水由👌水(shui)泵送回(hui)蓄水罐(guan)循環使(shi)用。工控(kòng)機對所(suo)👣有儀表(biao)數據進(jìn)行采集(ji)和顯示(shì)并對兩(liang)個電動(dòng)調節閥(fá)進行控(kong)🙇🏻制，調節(jiē)氣相和(hé)液相的(de)流量。

    試(shi)驗所用(yòng)的渦街(jiē)流量計(jì)選擇了(le)一台應(ying)用zui多的(de)壓電式(shi)渦街流(liu)量傳感(gǎn)器，其口(kou)徑的直(zhi)徑D=50mm。将渦(wō)街傳感(gan)器放置(zhi)在🔞水平(ping)直管段(duàn)上，其上(shang)下遊直(zhí)管段長(zhang)度分别(bie)爲30D和🈲20D。壓(yā)力變送(sòng)器和溫(wen)度變送(sòng)器分别(bie)放在渦(wō)街流量(liàng)傳感器(qì)上遊1D和(he)下遊10D的(de)位置，混(hùn)和器安(an)裝在渦(wō)街流量(liang)計上遊(yóu)30D的位置(zhi)。

圖1 氣(qì)液兩相(xiàng)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(diàn)動閥2，水(shuǐ)的流量(liàng)取6、8、10、12m³ /h四個(ge)流量值(zhí)。通過電(dian)動閥1控(kong)制，流量(liang)計1顯示(shì)空氣注(zhu)入量🐉的(de)範圍爲(wèi)0.3～1.8m³ /h，其壓力(li)範圍爲(wei)0.4～0.5MPa。

    目前工(gong)業中應(yīng)用的渦(wō)街流量(liang)計大部(bu)分是脈(mo)沖輸出(chu)，即🏃‍♂️将旋(xuan)渦信号(hao)轉化爲(wei)脈沖信(xìn)号，通過(guo)對脈沖(chong)信号計(jì)數計算(suàn)出旋渦(wō)🏃🏻脫落的(de)頻率。脈(mò)沖輸出(chu)的渦街(jiē)流量計(jì)主要的(de)缺點是(shì)易受噪(zao)聲幹擾(rao)，對于小(xiǎo)流量⭕來(lai)說由于(yu)信号微(wēi)弱💚難以(yǐ)與噪聲(sheng)區别。近(jìn)幾年随(sui)着數字(zi)信号處(chu)🈲理技術(shù)的發展(zhǎn)，出現了(le)以DSP爲核(hé)心，具有(you)譜分析(xi)功能的(de)渦街流(liu)量計，這(zhe)種方法(fǎ)提高了(le)對微弱(ruò)渦街頻(pín)率信号(hao)的識别(bié)[7-8]。考慮到(dào)這🏃‍♀️兩種(zhǒng)不同類(lei)型👣渦🛀🏻街(jiē)流量計(ji)在工業(ye)🚶現場使(shi)用，試驗(yan)中同時(shi)用譜分(fèn)析方法(fa)和脈沖(chong)計數方(fāng)法對渦(wo)街頻率(lü)進行計(jì)算，并對(duì)兩種方(fang)法進行(háng)⛱️了比較(jiào)。

    渦街流(liú)量計的(de)轉換電(diàn)路流程(cheng)圖如圖(tu)2所示。以(yǐ)5000Hz的頻率(lü)對A點的(de)模拟信(xìn)号進行(hang)采樣，每(mei)次采樣(yàng)10組數據(ju)，每組數(shù)據有5×10⁴ 個(ge)采樣點(dian)，将得到(dao)的采樣(yàng)點進行(hang)傅裏葉(yè)變換得(dé)到不同(tóng)測💁量點(dian)渦街産(chan)生的頻(pin)率，同時(shí)通過脈(mò)沖計數(shù)❗的方🍉法(fa)對B點采(cai)樣。

圖(tú)2 渦街流(liú)量計電(diàn)路框圖(tu)

    2 渦街流(liu)量計的(de)标定

    将(jiang)渦街流(liú)量計在(zai)标準水(shui)裝置上(shang)，分别用(yòng)頻譜分(fèn)析🐇和脈(mò)👌沖計數(shù)的方法(fa)進行标(biao)定，流體(tǐ)介質爲(wèi)水未加(jiā)🔅氣體，采(cǎi)用的标(biāo)準傳感(gan)器爲精(jīng)度等級(jí)爲0.2級的(de)電磁流(liú)量計。在(zai)每個流(liú)量測量(liàng)點上😘的(de)儀表系(xì)數用公(gong)式（1）計算(suàn)，然後用(yòng)式（2）計算(suan)💁得到zui終(zhōng)儀表系(xì)數K。Q_l 爲被(bèi)測水的(de)流量值(zhi)，f爲每一(yi)個流量(liàng)點得到(dào)的頻率(lü)，k爲每♍個(gè)測量🈲點(dian)得到的(de)儀表系(xì)數。k_max 、k_min 分别(bié)爲試驗(yan)流量範(fan)圍内得(de)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(xi)和脈沖(chong)計數兩(liang)種不同(tóng)方法計(ji)算出的(de)渦街流(liú)㊙️量計儀(yí)表系數(shù)分别爲(wei)：Ks=10107p/m³ ；Kc=10143p/m³ ；計算得(dé)到的儀(yi)表系數(shu)線性度(dù)分别爲(wèi)：1.2%和1.5%。圖3爲(wèi)儀表系(xi)數随水(shuǐ)流量值(zhí)變化的(de)曲線，可(ke)以看出(chu)，在試驗(yàn)所選流(liu)量範圍(wéi)内，儀表(biao)系數近(jin)似于一(yi)個常數(shù)，頻譜分(fen)析的結(jié)果與脈(mò)沖計數(shu)❌所得到(dào)的試驗(yan)結果差(cha)别不大(da)，之間的(de)誤差範(fàn)圍爲0.109%～0.688%。可(kě)見被測(ce)介質全(quán)部爲水(shuǐ)時☔兩種(zhǒng)測量方(fang)法并沒(méi)有明顯(xian)的區别(bié)。

圖3　渦(wo)街流量(liang)計儀表(biǎo)系數

    3　渦(wō)街信号(hao)分析

    試(shì)驗發現(xian)，氣相的(de)加入對(dui)渦街流(liú)量計測(ce)量的影(yǐng)響顯著(zhe)，譜分析(xī)和脈沖(chòng)計數兩(liang)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(yìng)了水流(liu)量12m³ /h時，注(zhù)入不同(tong)氣含率(lü)β時A點的(de)模拟信(xin)号，如圖(tú)4（a～c）所示；經(jīng)🔅譜分析(xi)後得💁到(dào)的頻率(lü)值，如圖(tu)4（d～f）所示；用(yòng)脈沖計(ji)數方㊙️法(fa)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(qi)量不大(dà)時，對渦(wō)街流量(liang)計的影(ying)響不大(dà)，無論是(shi)譜分析(xi)♊結果還(hai)是脈沖(chong)計數得(dé)到的結(jié)果都比(bi)較好。當(dang)注入的(de)氣量進(jìn)一步增(zeng)加時，渦(wō)💃街原始(shǐ)信号強(qiáng)度和穩(wěn)定☁️性逐(zhu)漸變差(cha)，渦街頻(pín)率信号(hào)會被幹(gan)擾信号(hao)所淹沒(méi)，反映到(dao)譜💜分析(xi)圖是，渦(wō)街頻率(lǜ)的譜🈲能(neng)量減小(xiao)，幹擾🤞信(xìn)号的譜(pǔ)能量加(jiā)強；對于(yú)脈沖信(xin)号，會☔因(yīn)爲一些(xie)旋渦信(xin)号減弱(ruò)，形成脈(mò)沖🔴缺失(shi)現象，而(er)不能真(zhēn)實地反(fǎn)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(liàng)Qg的增加(jia)，渦街發(fa)生頻率(lü)fs和fc的變(bian)化情☂️況(kuang)。結果顯(xiǎn)示⁉️，對于(yú)不同的(de)水流量(liang)，當注入(rù)的氣體(ti)流量增(zeng)加到一(yi)定範圍(wei)時，不能(neng)再檢測(ce)到渦街(jie)信号；在(zai)🐕一定水(shui)✔️流量下(xià)，随着注(zhu)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(yu)總的體(tǐ)積流量(liang)增加了(le)，而脈沖(chòng)計數法(fǎ)則由于(yú)産生脈(mo)沖缺失(shī)現象所(suǒ)得到的(de)頻率值(zhí)減小。因(yin)🌏此在氣(qì)液兩相(xiàng)流下，譜(pǔ)分析比(bi)脈沖🈲計(jì)數法有(you)優勢，它(ta)📐能在較(jiào)高的含(han)氣量依(yī)然能檢(jian)測到旋(xuán)渦脫落(luo)的頻率(lü)。

圖4 不(bu)同注氣(qì)量時頻(pín)率信号(hao)圖

    4　渦(wo)街流量(liang)計的誤(wu)差分析(xi)

    将試驗(yàn)數據進(jìn)行處理(li)，得到了(le)渦街流(liú)量計測(cè)量誤♻️差(chà)随🚩氣相(xiang)含率變(bian)化的情(qíng)況，如圖(tu)5所示。其(qí)中δs爲譜(pu)分析方(fāng)法的測(ce)量誤差(cha)，δc爲脈沖(chong)計數方(fāng)法的測(cè)量誤差(chà)。渦街流(liú)量計的(de)測量誤(wu)👈差用式(shì)♊（4）來計算(suàn)🤟。其中Qs爲(wèi)裝置中(zhōng)标準表(biao)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(zhí)。将譜☂️分(fèn)析和脈(mò)沖♈計數(shu)得到的(de)頻率值(zhí)和儀表(biao)系數分(fen)别代入(ru)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(ce)量方法(fǎ)得到的(de)誤🌍差并(bìng)不相同(tóng)。當含氣(qì)🤩率不高(gao)時，0<β<6%，譜分(fen)析法🈲的(de)平均誤(wù)差爲1.226%，zui大(dà)誤差爲(wèi)2.687%，脈沖計(jì)數法的(de)平均誤(wu)差爲1.583%，zui大(da)誤差爲(wèi)2.898%，因此譜(pu)分析法(fa)與脈沖(chòng)😍計數法(fǎ)的測量(liang)誤差區(qu)别🈲不大(da)，譜分析(xi)沒有明(ming)顯的優(you)✍️勢；在氣(qi)相含率(lǜ)進一步(bù)增加時(shi)，6%<β<14%，譜分析(xi)法的平(píng)均⚽誤差(cha)爲3.975%，zui大誤(wu)差爲14.058%，脈(mo)沖計數(shu)法的平(píng)♌均誤差(cha)爲20.053%，zui大誤(wù)差爲33.130%，脈(mo)沖計數(shù)的方法(fa)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(liang)誤差産(chǎn)生的主(zhu)要原因(yin)是：在氣(qi)液兩相(xiàng)流動中(zhong)，由于氣(qi)泡對旋(xuan)渦發生(sheng)體的撞(zhuàng)擊作用(yòng)，氣泡對(dui)邊界層(céng)和旋渦(wo)脫落的(de)影響，以(yǐ)及旋渦(wo)吸入氣(qì)泡使其(qí)強度減(jian)弱，使旋(xuan)渦脈沖(chong)數缺失(shi)，缺失的(de)旋渦🔞數(shù)不穩定(ding)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻，使脈沖(chòng)計數方(fang)法測量(liang)的誤差(chà)增大，而(ér)譜分析(xi)的方法(fa)在一段(duan)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(quē)失對測(cè)量的影(yǐng)響。所以(yǐ)含氣液(yè)體流體(ti)計量中(zhōng)譜分析(xī)🐇方法要(yao)好于脈(mò)沖計數(shu)的🏃‍♀️方法(fa)。

圖(tu)5　不同氣(qì)相含率(lǜ)下渦街(jie)流量計(jì)的測量(liang)誤差

    5　結(jié)束語

    從(cong)試驗結(jie)果來看(kàn)，渦街流(liu)量計在(zài)測量混(hùn)有少量(liàng)氣體🌈的(de)液體流(liú)量時，測(ce)量誤差(cha)會顯著(zhe)增加。之(zhi)所以會(hui)出現這(zhe)樣🌂的情(qing)況，一方(fang)面，氣體(ti)在液體(tǐ)中會形(xing)成氣泡(pào)，在旋渦(wo)發生🍉體(tǐ)的後部(bù)形成氣(qì)團，并且(qiě)旋渦中(zhong)心會出(chu)現一個(ge)低壓區(qu)，吸入大(da)量質量(liang)較輕的(de)氣泡，從(cong)☂️而削弱(ruo)了旋渦(wo)的能量(liang)，使壓電(diàn)傳感器(qi)檢測不(bu)到旋❌渦(wō)，導緻檢(jiǎn)測過⁉️程(chéng)中脈沖(chong)缺失現(xiàn)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(chang)本身對(dui)旋渦脫(tuo)落的擾(rao)動，進一(yī)步增加(jia)了測量(liàng)的誤差(cha)。其它方(fang)面，旋渦(wo)發生體(tǐ)後的氣(qi)團，旋渦(wō)中心區(qu)氣泡的(de)含量、旋(xuán)渦外的(de)氣泡量(liang)、氣泡🤩的(de)大小等(deng)等都會(huì)影響測(ce)量的結(jié)果。

    通過(guò)上述的(de)試驗結(jie)果及分(fèn)析表明(ming)，單相液(yè)體中混(hùn)入少✊量(liàng)的氣體(tǐ)時會導(dǎo)緻渦街(jie)旋渦強(qiang)度變弱(ruo)和可✍️靠(kao)性變差(chà)，在這種(zhǒng)條件下(xia)🌍測量時(shí)譜分析(xī)的方法(fa)在🌐氣含(han)率🏃🏻不大(dà)時（0<β<6%）與脈(mò)沖計數(shù)的方法(fa)差别不(bú)大，但随(suí)着氣含(hán)率的進(jìn)一步增(zēng)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。

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