當(dāng)流體流過阻擋(dang)體時會在阻擋(dǎng)體的兩側交替(ti)産生旋渦，這種(zhǒng)現象稱爲卡門(men)渦街。20世紀60年代(dài)日本橫河公司(si)首先利用卡門(men)渦街現象研制(zhi)出渦街流量計(ji)，此後渦街流量(liang)計由于其諸多(duō)優點得以在工(gong)業領域廣泛應(ying)用[1]。      

    在單相流體(ti)介質條件下對(duì)渦街流量計的(de)研究相對比較(jiào)成熟，研究者通(tōng)過試驗的方法(fǎ)得到了大量💋有(you)價值的試驗結(jié)果，并應用到渦(wo)街流量計的開(kai)發中，使得渦街(jiē)流量計的測量(liàng)精度、可靠性得(de)到了很大的提(tí)高[2，3]。工業測量中(zhong)經常會🧡有這樣(yang)的情況出現：液(ye)體管道中👌有時(shí)會混入少量的(de)氣體，被測流質(zhì)變成了氣液兩(liang)相🤞流。由于氣液(yè)兩相流的複雜(zá)性，研究這種條(tiáo)件下渦街💜流量(liàng)計✍️測量特性的(de)文章不多。西安(ān)交通大學的李(li)永光[4-6]曾經在氣(qì)液兩相流的豎(shù)直💚管道上，對不(bu)同形狀的渦街(jie)發生體進行了(le)研究，對📐不同截(jie)面含氣率下渦(wo)街的結構以及(jí)斯㊙️特勞哈爾數(shù)的變化進行了(le)大量的試驗研(yan)究，并給出了斯(sī)特勞哈🧑🏾‍🤝‍🧑🏼爾數随(suí)截面含氣率💯而(er)變化的公式。李(lǐ)永光的工作主(zhǔ)要💋是從流體力(li)學的角度💋對氣(qì)液兩相流中渦(wō)街現象的機理(li)進行了研究，其(qi)給出的試驗結(jié)果👄涉及到截面(miàn)含氣率的測量(liàng)[4]。本文通過試驗(yàn)從測量的角度(dù)，研究了水平管(guǎn)道中含有少量(liang)氣🏃‍♂️體的液體條(tiao)件下渦街流量(liang)計測量結果的(de)變化情況‼️，并且(qiě)測✊量結果分别(bié)用譜分析和脈(mo)沖計數🌈兩種測(cè)量方式得到，通(tong)過比較發現在(zai)液含氣流體條(tiao)件下譜分析要(yào)明顯優于脈沖(chong)計數的方式。

    1　試(shì)驗裝置與試驗(yan)方法

    1.1　試驗裝置(zhi)

    試驗介質由已(yǐ)測定流量的水(shuǐ)和空氣組成，分(fèn)别送入管道混(hun)和成氣液兩相(xiang)流送入試驗管(guan)段。試驗裝置如(rú)圖1所示。試驗裝(zhuāng)置由空氣壓縮(suo)機、儲氣罐、蓄水(shui)‼️罐、分離✊罐、流量(liàng)計、壓力變送器(qì)、溫度變送器、工(gōng)控機和各種閥(fá)門組成。

    空氣壓(ya)縮機将空氣壓(yā)縮後送入儲氣(qi)罐，标準流量🔴計(ji)1計量氣液混合(hé)前儲氣罐送入(rù)管道的氣體流(liú)量。蓄水♈罐距離(li)地面30m，提供試驗(yàn)所需的液相，其(qí)流量由标準流(liu)量計2測得。液相(xiang)和氣相經混和(he)器混和後送入(ru)試驗管段，zui後流(liu)入分離罐将水(shuǐ)和空氣進行分(fen)離，空氣由放氣(qì)閥排出，水由水(shuǐ)泵送回蓄水罐(guàn)循環使用。工控(kòng)機對所有儀表(biao)數據進行采集(ji)和顯示并對兩(liǎng)個電動調節閥(fa)進行控制，調節(jie)氣相和液相的(de)流👈量。

    試驗所用(yòng)的渦街流量計(jì)選擇了一台應(yīng)用zui多的壓電🐪式(shì)渦街流㊙️量傳感(gan)器，其口徑的直(zhí)徑D=50mm。将渦街傳感(gan)器放置在水平(ping)直管段上，其上(shàng)下遊直管段長(zhǎng)度分别爲30D和20D。壓(ya)力變送器和溫(wen)度變送器分别(bié)放在渦街流量(liàng)傳感📧器上遊1D和(he)下遊10D的位置，混(hùn)和器💃🏻安裝在渦(wō)👉街流量計上遊(you)30D的位置。

圖1 氣液兩相(xiàng)流試驗裝置

    1.2 試(shi)驗方法    

    通過流(liu)量計2的測量和(hé)調節電動閥2，水(shuǐ)的流量取6、8、10、12m³ /h四個(ge)流量值。通過電(dian)動閥1控制，流量(liang)計1顯示空氣注(zhu)入量🛀🏻的範圍爲(wèi)0.3～1.8m³ /h，其壓力範圍爲(wèi)0.4～0.5MPa。

    目前工業中應(yīng)用的渦街流量(liang)計大部分是脈(mò)沖輸出🎯，即将旋(xuán)👌渦信号轉化爲(wèi)脈沖信号，通過(guo)對脈沖信号計(jì)數計算出旋渦(wo)脫落的頻率。脈(mò)沖輸出的渦街(jiē)流量計主要的(de)缺點是易受噪(zào)🤩聲幹擾☔，對于小(xiao)流量來說由于(yú)信号微弱🥰難以(yi)與噪聲區别。近(jin)幾年随着數字(zi)信号處理技術(shù)的發展，出現了(le)以👣DSP爲核心，具有(yǒu)譜分析功能♉的(de)渦街流量計，這(zhè)種方法提高了(le)對微✨弱渦街頻(pín)率信号的識别(bie)[7-8]。考慮到這兩種(zhǒng)不同類型渦街(jiē)流量計在工業(ye)現場使用，試驗(yan)中同㊙️時用譜分(fen)析方法和脈沖(chong)計數方法對渦(wō)街頻率進行計(ji)💔算，并⛷️對兩種方(fāng)法進行⭕了比較(jiào)。

    渦街流量計的(de)轉換電路流程(cheng)圖如圖2所示。以(yi)5000Hz的頻率對A點的(de)模⁉️拟信号進行(hang)采樣，每次采樣(yang)10組數據，每組數(shù)🔅據有5×10⁴ 個采樣點(dian)，将得到的采樣(yàng)點進行傅裏葉(yè)變換得到不同(tóng)測量點渦街産(chǎn)生的頻率，同時(shí)通過脈沖計數(shu)的方🙇‍♀️法對💘B點采(cǎi)樣。

圖(tu)2 渦街流量計電(dian)路框圖

    2 渦街流(liú)量計的标定

    将(jiang)渦街流量計在(zài)标準水裝置上(shang)，分别用頻譜分(fèn)析🌈和脈沖✌️計🌈數(shù)的方法進行标(biāo)定，流體介質爲(wei)水未加氣體，采(cai)用的标❤️準傳感(gan)器爲精度等級(jí)爲0.2級的電磁流(liu)量計。在每個⭕流(liu)量測量點上的(de)儀表系數用公(gōng)式🔞（1）計算，然後用(yong)式（2）計算得到zui終(zhong)儀表系數K。Q_l 爲被(bei)測水的流量值(zhi)，f爲每一個流量(liàng)點得到的頻率(lǜ)，k爲每🌈個測🚩量點(dian)得到的儀表系(xi)數。k_max 、k_min 分别爲試驗(yàn)流量範圍内得(dé)到的zui大與zui小的(de)儀表系數。儀表(biǎo)系數的線性度(du)E₁ 用式（3）來計算。

    譜分析(xi)和脈沖計數兩(liang)種不同方法計(jì)算出的渦街流(liú)㊙️量計🌂儀表系數(shù)分别爲：Ks=10107p/m³ ；Kc=10143p/m³ ；計算得(dé)到的儀表系數(shu)線性度分别爲(wei)：1.2%和1.5%。圖3爲儀表系(xì)數👨‍❤️‍👨随水流🔆量值(zhí)變化的曲線，可(kě)以看出，在試驗(yan)所選流量範圍(wéi)内🈲，儀表系數近(jìn)似于一個常數(shu)，頻譜分析的結(jié)果與脈沖計數(shù)💘所得到的試驗(yàn)♋結果差别不大(da)，之間的誤差範(fàn)圍爲0.109%～0.688%。可見被測(ce)介質全部爲水(shuǐ)時兩種測量方(fang)法并沒有明顯(xian)的區别。

圖3　渦街流量(liàng)計儀表系數

    3　渦(wō)街信号分析

    試(shi)驗發現，氣相的(de)加入對渦街流(liú)量計測量的影(ying)響顯著👌，譜分析(xi)和脈沖計數兩(liang)種方法随着氣(qi)相注入的增加(jia)其💋表現也不🐪同(tóng)。圖4反映了水流(liu)量12m³ /h時，注入不同(tong)氣含率β時A點的(de)模拟信号，如圖(tu)4（a～c）所示；經譜分❌析(xi)🐉後得⭕到的頻率(lü)值，如圖4（d～f）所示；用(yong)脈沖計數方法(fa)得👣到的脈沖信(xin)号，如圖4（g～i）所示。圖(tu)4顯示，當注入氣(qi)量不大時，對渦(wō)街流量計的影(yǐng)響不大，無論是(shi)譜分析結果還(hái)是脈沖計數得(dé)到的結果都比(bi)較好。當注入㊙️的(de)氣量進一🐇步增(zēng)加時，渦☎️街原始(shǐ)信号強度和穩(wěn)定性逐漸變差(chà)，渦街頻率信号(hào)會被幹擾信号(hào)所📱淹沒，反映到(dào)譜分析圖是，渦(wo)街頻率的譜💔能(néng)量減小，幹擾信(xin)号的譜能量加(jia)強👄；對于脈沖信(xin)号，會因💃🏻爲一些(xie)旋🌐渦信号減🍉弱(ruò)，形成脈沖缺失(shi)現象，而不能真(zhen)實地反映渦街(jiē)産生的頻率。

    表1反映(yìng)了不同流量點(diǎn)Q_l 下，随着注氣量(liàng)Qg的增加，渦街發(fa)生頻率fs和fc的變(bian)化情況。結果顯(xiǎn)示，對于不同的(de)水流量，當注入(rù)的氣體流量增(zēng)加到🚶‍♀️一定範圍(wei)時，不能再檢測(ce)到渦街信号；在(zài)一定水流量下(xia)🤞，随着注氣量的(de)增加譜分析得(dé)到的頻率值會(hui)變大，這是由于(yú)總的💜體積流量(liàng)增加了，而脈沖(chòng)計數法則由于(yu)産生脈沖缺失(shi)現象所得到的(de)🐇頻率值減小。因(yin)♋此在氣液兩相(xiàng)流下，譜分析比(bǐ)脈沖計數法有(you)📱優勢，它能在較(jiào)高的含氣量依(yī)然能檢測到旋(xuan)渦脫落的頻率(lü)⭐。

圖4 不(bu)同注氣量時頻(pin)率信号圖

    4　渦街流量(liàng)計的誤差分析(xi)

    将試驗數據進(jìn)行處理，得到了(le)渦街流量計測(cè)量誤🧡差随氣相(xiàng)含率變化的情(qíng)況，如圖5所示。其(qí)中δs爲譜分析方(fāng)法的📱測量誤差(cha)🌐，δc爲脈沖計數方(fang)法的測量誤差(chà)。渦街流量計的(de)測量誤差用式(shì)（4）來計算。其中Qs爲(wei)裝置中标準表(biǎo)💃🏻測量出的管道(dao)總流量，Qt爲試驗(yan)管段中渦✉️街流(liú)量計的測量值(zhí)。将譜☀️分析和脈(mo)沖計數得到的(de)☎️頻率值和儀表(biǎo)系數分别代入(ru)式（5）計算Qt值。從圖(tu)中可以看出氣(qì)相含率的增加(jiā)兩種測量🐉方法(fa)得到的誤差并(bìng)不相同。當含氣(qi)率不高時，0<β<6%，譜分(fèn)析💘法的平均誤(wù)❓差爲1.226%，zui大誤❤️差爲(wei)2.687%，脈沖計數法的(de)平均誤差爲1.583%，zui大(da)誤差😄爲2.898%，因此譜(pu)分析法與脈沖(chòng)計數法的測量(liàng)誤差區别不大(da)，譜分析沒有明(míng)顯的優勢；在氣(qì)相含率進一步(bù)增加時，6%<β<14%，譜分析(xī)法的平均誤差(chà)爲3.975%，zui大誤差爲14.058%，脈(mo)沖計數法的平(píng)均誤差爲20.053%，zui大誤(wu)差爲33.130%，脈沖計數(shù)的方法得😍到的(de)測量誤差遠大(da)于譜分析方法(fǎ)🍓。

    含氣液體測量(liang)誤差産生的主(zhu)要原因是：在氣(qi)液兩相流動中(zhong)，由于氣泡對旋(xuan)渦發生體的撞(zhuang)擊作用，氣泡對(dui)邊界層和旋渦(wō)脫落的影響，以(yi)及旋渦吸入氣(qì)泡使其強度減(jiǎn)弱，使旋渦脈沖(chòng)數缺失，缺失的(de)旋渦數不穩定(dìng)，使脈沖計數方(fāng)法測量的誤差(chà)增大，而譜分析(xī)的方法在一段(duan)時域♈内得到主(zhu)頻✂️譜作爲渦街(jie)頻率值，減小了(le)✉️旋渦缺失對測(cè)量的影響。所以(yǐ)含氣液體流體(tǐ)計量中譜分析(xī)方法要好于脈(mò)沖計數的方法(fǎ)。

圖5　不同氣(qì)相含率下渦街(jie)流量計的測量(liang)誤差

    5　結束語

    從(cóng)試驗結果來看(kan)，渦街流量計在(zai)測量混有少量(liang)氣體的液體流(liú)㊙️量時，測量誤差(chà)會顯著增加。之(zhī)所以會出現這(zhe)樣的情況，一方(fang)面，氣體在液體(ti)中會形成氣泡(pào)，在旋渦發生體(tǐ)的後部形成氣(qì)團，并且旋渦中(zhong)心會出現一個(gè)低壓區，吸入大(dà)量質量較輕的(de)氣泡，從而削弱(ruò)了旋渦的能量(liàng)，使壓電傳感器(qì)🔞檢測不到旋渦(wo)，導緻檢測過㊙️程(cheng)中脈沖缺失現(xiàn)象出現；另一🔴方(fang)面，由于旋渦的(de)能量降低，會增(zēng)加流場本身對(dui)旋渦脫🐕落🧑🏽‍🤝‍🧑🏻的擾(rao)動，進一步增加(jiā)了測量的誤差(cha)。其它方面，旋✔️渦(wō)發生體後的氣(qì)團，旋✊渦中心㊙️區(qu)氣泡的含量、旋(xuan)渦外的氣泡量(liang)、氣泡的大小等(deng)等都會影響測(cè)量的結🤩果。

    通過(guo)上述的試驗結(jie)果及分析表明(míng)，單相液體中混(hun)🐇入少量的氣❗體(ti)時會導緻渦街(jie)旋渦強度變弱(ruò)和可靠性變差(chà)，在這種條件下(xia)測量時譜分析(xi)的方法在氣含(han)率不大時（0<β<6%）與脈(mo)沖計數的方法(fa)差别不大，但随(suí)着氣含率的進(jìn)一步增加（6%<β<14%），譜分(fèn)析的方法要好(hǎo)于脈🛀沖計數的(de)方☁️法。

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