當流體(ti)流過阻擋(dang)體時會在(zài)阻擋體的(de)兩側交替(tì)産生💜旋渦(wō)，這☎️種現象(xiang)稱爲卡門(men)渦街。20世紀(jì)60年代日本(ben)橫河公司(sī)首先利用(yong)卡門渦街(jie)現象研制(zhì)出渦街流(liu)量計，此後(hòu)渦街流量(liang)計由于其(qi)諸多優點(dian)得以在工(gong)業領域廣(guǎng)泛應用[1]。      

    在(zai)單相流體(ti)介質條件(jian)下對渦街(jie)流量計的(de)研究相對(duì)比較成熟(shu)，研究者通(tong)過試驗的(de)方法得到(dào)了大量有(yǒu)價值的試(shì)驗🈚結果，并(bing)應用到渦(wo)街流量計(ji)的開發中(zhong)，使得渦街(jiē)流量計的(de)測量精度(dù)、可靠性得(dé)到了很大(dà)的提高[2，3]。工(gong)業測量🤞中(zhōng)經常會有(you)這樣的情(qíng)況出現：液(yè)體管道中(zhōng)有時會混(hùn)入少量的(de)氣體，被測(ce)流質變💯成(cheng)了氣液兩(liang)👉相流。由于(yu)氣液兩相(xiang)流的複雜(zá)性，研究這(zhè)種條件下(xià)渦街流量(liang)計測量特(te)性的文章(zhang)不多。西安(ān)㊙️交通大學(xué)的李永光(guāng)[4-6]曾經在氣(qi)液兩相流(liu)的豎直管(guǎn)道上，對不(bu)同形狀的(de)渦街發生(sheng)體進行了(le)研究，對不(bú)同截面含(hán)氣率⭐下渦(wō)街的結構(gòu)以及斯👈特(tè)勞哈爾數(shu)的變化進(jin)行了大量(liang)的🔞試💃驗研(yan)究，并給出(chu)了斯特勞(lao)哈爾數随(suí)截面含氣(qì)率🧑🏽‍🤝‍🧑🏻而變✏️化(hua)的公式。李(li)永光的工(gōng)作主要❄️是(shi)從流體力(li)學的角度(dù)對氣液兩(liǎng)相流中渦(wō)街現象的(de)機理進行(háng)了研究，其(qi)給出的試(shì)驗結果涉(she)及到截面(mian)含氣率的(de)測量[4]。本🏃文(wen)通過試驗(yàn)從測量的(de)角度，研究(jiu)了水平管(guan)道中含有(you)少量氣體(ti)的液體條(tiáo)件下渦街(jiē)流量計測(ce)量結果的(de)變化情況(kuàng)，并且測量(liàng)結果分别(bié)用譜分析(xi)和脈沖計(ji)數兩種測(ce)量方式得(dé)到，通過比(bi)較發現在(zai)液含氣流(liú)體條件下(xia)譜分析🔴要(yào)明顯優于(yu)脈沖計📞數(shù)的方式。

    1　試(shi)驗裝置與(yu)試驗方法(fa)

    1.1　試驗裝置(zhi)

    試驗介質(zhi)由已測定(dìng)流量的水(shuǐ)和空氣組(zǔ)成，分别送(sòng)入管道混(hùn)🙇🏻和成氣液(ye)兩相流送(song)入試驗管(guǎn)段。試驗裝(zhuāng)置如圖1所(suo)示。試🌍驗裝(zhuāng)置由空氣(qi)壓縮機、儲(chǔ)氣罐、蓄水(shui)罐、分離罐(guan)、流量計、壓(yā)力變送器(qi)、溫度變送(song)器、工控機(jī)和各種閥(fá)門組成。

    空(kong)氣壓縮機(jī)将空氣壓(yā)縮後送入(ru)儲氣罐，标(biao)準流量計(ji)😄1計量氣🔞液(yè)混合前儲(chǔ)氣罐送入(rù)管道的氣(qì)體流量。蓄(xù)水罐距離(li)地🌐面30m，提供(gòng)試🌈驗所需(xu)的液相，其(qí)流量由标(biao)準流🍉量計(jì)2測得。液相(xiang)和氣相經(jing)混和器混(hùn)和後送入(ru)試驗管段(duàn)，zui後流入分(fen)離罐将水(shui)和空氣進(jìn)行分離㊙️，空(kōng)氣由放氣(qì)閥排出，水(shuǐ)由水泵送(sòng)回蓄水罐(guan)循環使⭐用(yong)。工控機對(dui)☂️所有儀表(biǎo)數據進行(háng)采集和顯(xiǎn)示并對兩(liang)個電動💛調(diào)節閥進行(hang)控制，調節(jie)氣相和液(yè)相的流🍓量(liàng)。

    試驗所用(yong)的渦街流(liu)量計選擇(ze)了一台應(ying)用zui多的壓(yā)電☎️式💃🏻渦街(jiē)流量傳感(gǎn)器，其口徑(jìng)的直徑D=50mm。将(jiāng)渦街傳感(gǎn)🌂器放置在(zài)水平直管(guǎn)段上，其上(shàng)下遊直管(guǎn)段長度分(fèn)别爲30D和20D。壓(ya)力變送器(qì)和溫度變(biàn)🏒送器分别(bié)放在渦街(jie)流量傳感(gǎn)器上遊1D和(hé)🌈下遊10D的位(wei)置，混和器(qì)⭕安裝在渦(wō)街流量計(jì)上遊30D的位(wei)置。

圖(tu)1 氣液兩相(xiang)流試驗裝(zhuāng)置

    1.2 試驗方(fang)法    

    通過流(liú)量計2的測(cè)量和調節(jiē)電動閥2，水(shuǐ)的流量取(qǔ)6、8、10、12m³ /h四個流量(liang)值。通過電(diàn)動閥1控制(zhì)，流量計1顯(xian)示空氣注(zhù)入量♊的範(fàn)圍爲0.3～1.8m³ /h，其壓(ya)力範圍爲(wèi)0.4～0.5MPa。

    目前工業(ye)中應用的(de)渦街流量(liang)計大部分(fen)是脈沖輸(shū)出，即将旋(xuan)渦信号轉(zhuǎn)化爲脈沖(chòng)信号，通過(guò)對脈沖信(xin)号計數計(ji)算出旋渦(wo)脫落的頻(pín)率。脈沖輸(shu)出的渦街(jiē)流量計💋主(zhu)要的缺點(dian)是易受噪(zào)聲幹擾✨，對(dui)于小流量(liàng)來說由于(yú)信号微弱(ruò)難以與噪(zào)聲區别。近(jìn)幾年随着(zhe)🌈數字信号(hào)處理技術(shù)的發展，出(chū)現了以❗DSP爲(wei)核心，具有(you)📱譜分析功(gōng)能的渦街(jie)流量計，這(zhè)種方法提(tí)高了對微(wēi)弱渦街頻(pin)率信号的(de)識别[7-8]。考慮(lǜ)到這兩種(zhong)不同類型(xing)👌渦街流量(liang)計在工業(yè)現場使用(yòng)，試驗中同(tóng)時用譜分(fen)析方法和(he)🚶脈沖計數(shù)方法對渦(wo)✨街頻率進(jìn)行計算，并(bìng)對兩種方(fang)法進行了(le)比較。

    渦街(jie)流量計的(de)轉換電路(lu)流程圖如(ru)圖2所示。以(yi)5000Hz的頻率對(duì)A點的模拟(nǐ)信号進行(háng)采樣，每次(ci)采樣10組數(shu)據，每♻️組數(shù)據有5×10⁴ 個采(cǎi)樣點，将得(dé)到的采樣(yàng)點進行傅(fù)裏葉變換(huàn)得到不同(tóng)測量點渦(wo)街産生的(de)頻率，同時(shi)通過脈沖(chòng)計數的方(fāng)法對B點采(cǎi)樣。

圖(tu)2 渦街流量(liang)計電路框(kuang)圖

    2 渦街流(liu)量計的标(biāo)定

    将渦街(jiē)流量計在(zài)标準水裝(zhuang)置上，分别(bié)用頻譜分(fen)析和脈沖(chòng)計數的方(fāng)法進行标(biāo)定，流體介(jie)質爲水未(wèi)加氣體，采(cǎi)用的标準(zhun)傳感器爲(wei)精度等級(ji)爲0.2級的電(diàn)磁流量計(jì)。在每個流(liu)量測量點(dian)上的儀表(biao)🍉系數用公(gōng)式（1）計算，然(rán)後用式（2）計(jì)算⛱️得到zui終(zhōng)儀表系數(shù)K。Q_l 爲被測水(shuǐ)的流量值(zhi)，f爲每一個(ge)流量點得(dé)到的頻率(lǜ)，k爲每個測(cè)量點得到(dao)的儀表系(xì)數。k_max 、k_min 分别爲(wèi)試驗流量(liang)範圍内得(de)到的zui大與(yǔ)zui小的儀表(biao)系數。儀表(biao)♉系數的線(xiàn)性度E₁ 用式(shi)（3）來計算。

    譜分析(xī)和脈沖計(ji)數兩種不(bú)同方法計(jì)算出的渦(wō)街流♉量😄計(ji)儀表系數(shu)分别爲：Ks=10107p/m³ ；Kc=10143p/m³ ；計(ji)算得到的(de)儀表系數(shù)線性度分(fèn)别爲：1.2%和1.5%。圖(tu)3爲儀表系(xì)🌈數💋随水流(liú)量值變化(hua)的曲線，可(kě)以看出，在(zài)試驗所選(xuǎn)流量範圍(wéi)内📐，儀表系(xì)數近似于(yu)一個常數(shu)，頻譜分♻️析(xi)的結🈲果與(yǔ)脈沖計數(shu)所得到的(de)試驗結果(guo)差别不大(da)，之間的🙇🏻誤(wù)差範圍爲(wei)0.109%～0.688%。可見被測(cè)介質全部(bù)爲水時兩(liǎng)種測量方(fāng)法并沒有(you)明顯的區(qū)别。

圖(tu)3　渦街流量(liang)計儀表系(xì)數

    3　渦街信(xìn)号分析

    試(shì)驗發現，氣(qi)相的加入(rù)對渦街流(liu)量計測量(liàng)的影響顯(xiǎn)著，譜分析(xī)和脈沖計(jì)數兩種方(fāng)法随着氣(qi)相注入的(de)增加其表(biao)現也不🌂同(tóng)。圖🔅4反映了(le)水流量12m³ /h時(shi)，注入不同(tóng)氣含率β時(shí)A點的模拟(ni)信号，如圖(tu)4（a～c）所示；經譜(pǔ)分析🏃🏻後得(de)到的頻率(lǜ)值，如圖4（d～f）所(suǒ)示；用脈沖(chòng)計數方法(fǎ)得到的脈(mo)沖信号，如(ru)圖4（g～i）所示。圖(tu)4顯示，當注(zhu)入氣量不(bu)大時😍，對渦(wō)街流量計(ji)的影響不(bu)大，無論是(shì)譜分析🆚結(jie)果還是脈(mo)沖計數得(de)到的結果(guo)都比較好(hao)。當注入的(de)氣量進一(yi)步增加時(shi)，渦街原始(shǐ)信号強度(du)和穩定🏃🏻‍♂️性(xìng)逐漸變差(chà)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼，渦街頻率(lü)信号會被(bèi)幹擾信号(hào)所淹沒，反(fan)映到譜分(fèn)析圖💛是，渦(wo)街頻率的(de)譜✉️能量減(jian)小，幹擾信(xin)号的譜能(néng)量加強；對(duì)于脈沖信(xìn)号，會因爲(wei)一些旋渦(wo)信号減💛弱(ruò)，形成脈沖(chong)缺失現象(xiàng)，而不能真(zhēn)實地反映(ying)渦街産生(shēng)的頻率。

    表1反映(yìng)了不同流(liu)量點Q_l 下，随(sui)着注氣量(liàng)Qg的增加，渦(wo)街發生頻(pin)率fs和fc的變(biàn)化情況。結(jie)果顯💋示💋，對(duì)于不同的(de)水流量，當(dang)注入的氣(qi)體流量增(zēng)加到一定(dìng)範圍時，不(bú)能再檢測(ce)到渦街信(xin)号；在一定(ding)水流量下(xia)，随着注氣(qi)量的增加(jiā)譜分析得(de)到的頻率(lü)值會變大(da)，這是由于(yu)總的體積(ji)流量增加(jia)了，而脈沖(chong)計數法則(zé)由于産生(sheng)‼️脈沖缺失(shī)現象所得(dé)到的頻率(lǜ)值減小♋。因(yin)此在氣液(ye)兩相流下(xià)，譜分析比(bǐ)脈沖計數(shù)法有優勢(shi)，它能在較(jiao)💰高的含氣(qì)量依然能(neng)檢測到旋(xuán)渦脫落的(de)頻率⛹🏻‍♀️。

圖4 不同注(zhù)氣量時頻(pin)率信号圖(tu)

    4　渦街(jie)流量計的(de)誤差分析(xi)

    将試驗數(shu)據進行處(chu)理，得到了(le)渦街流量(liàng)計測量誤(wu)差随氣相(xiang)含率變化(hua)的情況，如(rú)圖5所示。其(qi)中δs爲譜分(fen)✂️析方👣法的(de)📐測量誤差(cha)，δc爲脈沖計(jì)數方法的(de)測量誤差(chà)❓。渦街流♻️量(liàng)計的㊙️測量(liang)誤差用式(shi)🚶‍♀️（4）來計算。其(qí)中Qs爲裝置(zhi)中标準表(biǎo)測量出的(de)管道總流(liu)量，Qt爲試驗(yàn)管段中渦(wo)💃街流量計(ji)的測量值(zhí)。将譜🤟分析(xī)和脈沖計(jì)數得到的(de)頻率值和(hé)儀表系數(shu)分别代入(rù)式（5）計算Qt值(zhí)。從圖中可(kě)以看出氣(qì)相含率的(de)增加兩種(zhong)測量方法(fǎ)得到的誤(wu)差并不相(xiang)同。當含氣(qì)率不高時(shi)，0<β<6%，譜分析法(fǎ)的平均誤(wù)差爲1.226%，zui大誤(wù)✨差爲2.687%，脈沖(chòng)計數法的(de)平均誤差(cha)爲1.583%，zui大誤差(chà)🐆爲2.898%，因此譜(pǔ)分析法🔆與(yǔ)脈沖計數(shù)法的測量(liang)誤差區别(bie)不大，譜分(fèn)析沒有明(míng)顯的🌈優勢(shì)；在氣相含(hán)率進一步(bu)❄️增加時，6%<β<14%，譜(pu)分析法的(de)平均誤差(cha)爲3.975%，zui大誤差(chà)爲14.058%，脈沖計(jì)數法的平(ping)🏃🏻均誤差爲(wèi)20.053%，zui大誤差爲(wei)33.130%，脈沖計數(shu)的方法得(de)到的測量(liàng)誤差遠大(dà)✔️于譜分析(xi)方法。

    含氣(qi)液體測量(liang)誤差産生(shēng)的主要原(yuán)因是：在氣(qì)液兩🈲相流(liú)動中，由于(yu)氣泡對旋(xuan)渦發生體(ti)的撞擊作(zuò)用，氣泡對(dui)☎️邊界層和(hé)旋渦脫落(luò)的影響，以(yi)及旋渦吸(xi)入氣泡使(shǐ)其🥰強度減(jian)🏃‍♀️弱，使旋渦(wō)脈沖數缺(quē)失，缺失的(de)旋渦🌂數不(bú)穩定🧑🏾‍🤝‍🧑🏼，使脈(mo)沖計數方(fāng)法測量的(de)誤差增大(dà)，而譜分析(xī)的方法在(zài)一段時域(yu)内得到主(zhǔ)頻譜作爲(wèi)渦街頻率(lǜ)值，減小了(le)旋渦缺失(shī)對測量的(de)影響。所以(yi)含氣💃🏻液體(ti)流體計量(liàng)中譜分析(xi)方法要好(hǎo)于脈沖計(jì)數的方法(fa)。

圖5　不同氣(qi)相含率下(xia)渦街流量(liàng)計的測量(liàng)誤差

    5　結束(shù)語

    從試驗(yan)結果來看(kan)，渦街流量(liang)計在測量(liàng)混有少量(liàng)氣體的液(ye)💛體☀️流量時(shí)，測量誤差(chà)會顯著增(zēng)加。之所以(yǐ)會出現㊙️這(zhe)樣的情🤞況(kuàng)，一方面，氣(qì)體在液體(tǐ)中會形成(chéng)氣泡，在旋(xuán)渦發生體(ti)的後部形(xing)成氣團，并(bìng)且旋渦中(zhong)心會出現(xiàn)一個低壓(yā)區，吸入大(da)量質量較(jiao)輕⚽的氣泡(pào)，從而削弱(ruo)了旋渦的(de)能量，使壓(ya)電傳感器(qi)檢測不到(dao)旋🐪渦，導緻(zhi)檢測過程(cheng)中脈沖缺(quē)失現象出(chu)現；另一方(fāng)面，由于旋(xuán)渦的能量(liàng)降低，會增(zeng)加流場⭐本(běn)身對旋渦(wo)脫落😘的擾(rǎo)動，進一步(bù)增加了測(cè)量的誤差(cha)。其💃它方面(miàn)，旋渦發生(sheng)體後的氣(qì)團，旋渦中(zhōng)心區氣泡(pao)的含量、旋(xuán)渦外的氣(qì)泡量、氣泡(pao)的大小等(děng)等都會影(ying)響測量的(de)結果。

    通過(guò)上述的試(shì)驗結果及(jí)分析表明(míng)，單相液體(ti)中混入少(shǎo)♋量的🍓氣✨體(tǐ)時會導緻(zhi)渦街旋渦(wo)強度變弱(ruò)和可靠性(xing)變差📐，在這(zhè)種條件下(xià)測量時譜(pu)分析的方(fāng)法在氣含(han)率不大時(shí)（0<β<6%）與脈沖計(jì)數的方法(fa)差别不大(dà)，但随着氣(qì)含率的進(jin)一步增加(jia)（6%<β<14%），譜分⛷️析的(de)方法要好(hǎo)于脈沖計(ji)數的方法(fa)。

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