當流體流(liu)過阻擋體時會在(zài)阻擋體的兩側交(jiāo)替産生旋👄渦♌，這種(zhong)現象稱爲卡門渦(wō)街。20世紀60年代日本(běn)橫河公♋司首先利(li)用卡門渦街現象(xiang)研制出渦街流量(liang)計，此後渦街流量(liang)計由于其諸多優(yōu)點得以在工業領(ling)域廣泛應用[1]。      

    在單(dān)相流體介質條件(jiàn)下對渦街流量計(jì)的研究相對比較(jiào)成💘熟🌈，研究者通過(guò)試驗的方法得到(dao)了大量有價☔值的(de)❤️試驗結果，并應用(yòng)到渦街流量計的(de)開發中，使得渦街(jiē)流量計的測量精(jing)度、可靠♻️性得到了(le)很大的提高[2，3]。工業(yè)測量中經常會💋有(yǒu)這樣的情況出現(xian)：液體管道中有時(shí)會混入少量的氣(qì)體，被測流質變💃成(chéng)了氣液兩相流。由(yóu)于氣液兩相流的(de)複雜性，研究這種(zhǒng)條件下渦街流量(liang)計測量特性的文(wén)章不多。西安交通(tōng)大學的李永光[4-6]曾(ceng)經在氣液兩相流(liu)的豎直管道上，對(dui)✔️不同形狀的渦街(jiē)發生體進行了研(yán)究，對🔞不同截面含(hán)氣率下渦街的結(jié)構以及斯特勞哈(ha)爾數的變化進行(hang)了大量的🈚試驗研(yan)究，并給出了斯特(te)🈲勞哈✉️爾數随截面(mian)含氣率而變化的(de)公式。李永光的工(gong)作主要是從流體(tǐ)力學的角度對氣(qì)液兩相流中渦街(jie)現象的機理進行(háng)了研究，其給出的(de)試驗結果👈涉及到(dao)截面含氣率💋的測(ce)量[4]。本文通過試驗(yan)從測量的角度，研(yán)究☁️了水平管道中(zhong)含有少量氣體的(de)液體條件下渦街(jiē)♋流量計測量🚶結果(guo)的變化情況，并且(qie)測🔴量結果分别用(yòng)譜分析和脈沖計(jì)數兩種測量方式(shì)得到，通過比較發(fā)現在液含氣流體(tǐ)條件下譜分💜析要(yao)明顯優于脈沖計(jì)💛數的方式。

    1　試驗裝(zhuāng)置與試驗方法

    1.1　試(shì)驗裝置

    試驗介質(zhì)由已測定流量的(de)水和空氣組成，分(fen)别送📞入管道混和(he)成氣液兩相流送(sòng)入試驗管段。試驗(yan)裝置如圖1所示。試(shì)🈲驗裝置由空氣壓(ya)縮機、儲氣罐、蓄水(shui)罐、分離罐、流量計(jì)、壓力變送器、溫度(du)變送器、工控機和(hé)各種閥門組成。

    空(kong)氣壓縮機将空氣(qì)壓縮後送入儲氣(qi)罐，标準流量❌計⛱️1計(jì)量👈氣㊙️液混合前儲(chǔ)氣罐送入管道的(de)氣體流量🔴。蓄水罐(guàn)距離地面30m，提供試(shi)驗所需的液相，其(qí)流量由标準流量(liàng)計2測得。液相和氣(qi)相經混和器混和(hé)後送入試驗管段(duan)，zui後流入分離罐将(jiāng)🔆水和空氣進行分(fèn)離，空氣由放氣閥(fa)排出，水由水泵送(song)回蓄🛀水罐循環使(shǐ)用。工控機對所有(you)儀表數據進行采(cai)集和顯示并對兩(liang)個電動調節閥進(jin)行控制，調節氣💘相(xiang)和液相的流量。

    試(shi)驗所用的渦街流(liu)量計選擇了一台(tai)應用zui多的壓電式(shi)渦街流量傳感器(qì)，其口徑的直徑D=50mm。将(jiang)渦街傳感器放置(zhi)在水平直管段上(shàng)，其上下遊直管段(duan)長度分别爲30D和20D。壓(ya)力變送器和溫度(dù)變送器分🏃‍♂️别放在(zài)渦街流量傳感⛹🏻‍♀️器(qì)上遊1D和下遊10D的位(wei)置，混和器安裝在(zài)渦街流量計上遊(you)30D的位置。

圖(tu)1 氣液兩相流試驗(yàn)裝置

    1.2 試驗方法    

    通(tōng)過流量計2的測量(liang)和調節電動閥2，水(shui)的流量取6、8、10、12m³ /h四個流(liú)量值。通過電動閥(fá)1控制，流量計1顯示(shi)空氣注入量的範(fan)圍爲0.3～1.8m³ /h，其壓力範圍(wei)爲0.4～0.5MPa。

    目前工業中應(yīng)用的渦街流量計(ji)大部分是脈沖輸(shū)出，即将旋渦信号(hao)轉化爲脈沖信号(hao)，通過對脈沖信号(hao)計數計算出旋渦(wo)脫落🥰的頻率。脈沖(chong)輸出的渦街⛷️流量(liang)計主要的🏃缺點是(shi)易受噪聲幹擾💰，對(duì)于小流量😄來說由(you)于👈信号微弱難以(yǐ)與噪聲區别。近幾(ji)年随着🐆數字信号(hào)處理技術的發展(zhan)，出現了以DSP爲核心(xin)，具有🌈譜分析功能(néng)的渦街流量計，這(zhe)種方法提高了對(duì)微🔱弱渦街頻率信(xìn)号的識别[7-8]。考慮到(dao)這❌兩種不同類型(xing)渦街流量計在工(gong)業🧑🏾‍🤝‍🧑🏼現場使用，試驗(yàn)中同時用譜分析(xī)方法和脈沖計數(shu)方法對渦街頻率(lü)進行計算，并🌍對兩(liang)種方法進行了比(bi)較。

    渦街流量計的(de)轉換電路流程圖(tu)如圖2所示。以5000Hz的頻(pín)率對🈲A點的☁️模拟信(xìn)号進行采樣，每次(cì)采樣10組數據，每🔅組(zǔ)數據有5×10⁴ 個采樣點(dian)，将得到的采樣點(diǎn)進行傅裏葉變換(huan)得到不同測量點(dian)♻️渦街産生的頻率(lü)，同時通過脈沖計(jì)數📞的方㊙️法對B點采(cǎi)樣。

圖2 渦街(jiē)流量計電路框圖(tú)

    2 渦街流量計的标(biāo)定

    将渦街流量計(ji)在标準水裝置上(shàng)，分别用頻譜分析(xi)和脈沖計數的方(fāng)法進行标定，流體(ti)介質爲水未加氣(qi)體🤩，采用的标準傳(chuán)感器爲精度等級(ji)爲0.2級的電磁⚽流量(liàng)計。在每個🈲流量測(cè)量點上♋的儀表♉系(xì)數用公式（1）計算，然(ran)後用式（2）計算得到(dào)zui終儀表系數K。Q_l 爲被(bèi)測水的流量值，f爲(wèi)每一個流量點得(de)到的頻率，k爲🈲每個(ge)測量點得到的儀(yi)表系數。k_max 、k_min 分别爲試(shì)驗流量範圍内得(de)到的zui大與zui小的儀(yi)表系數。儀表系數(shu)🌈的線性度E₁ 用式（3）來(lái)計算。

    譜分(fen)析和脈沖計數兩(liǎng)種不同方法計算(suan)出的渦街流☁️量計(jì)儀表系數分别爲(wèi)：Ks=10107p/m³ ；Kc=10143p/m³ ；計算得到的儀表(biao)系數線性度分别(bié)爲：1.2%和1.5%。圖3爲儀表系(xì)☂️數随水流量值變(biàn)化的曲線，可以看(kàn)出，在試驗所選流(liú)量範圍内，儀表系(xì)數近似于一個常(chang)數，頻譜分析的結(jie)果與脈沖計數所(suo)得到的試驗結果(guǒ)差别不☂️大，之間的(de)誤差範圍爲0.109%～0.688%。可見(jiàn)被✔️測介質全部爲(wèi)水時⭐兩種測量方(fang)法并沒有明顯的(de)區别。

圖3　渦(wo)街流量計儀表系(xi)數

    3　渦街信号分析(xi)

    試驗發現，氣相的(de)加入對渦街流量(liàng)計測量的影響顯(xian)著，譜分析和脈沖(chòng)計數兩種方法随(suí)着氣相注入的增(zēng)加其表現也不同(tong)。圖4反映了水流量(liàng)12m³ /h時，注入不同氣含(hán)率β時A點的模拟信(xin)号，如圖4（a～c）所示；經譜(pǔ)分析後🚶得到的頻(pín)率值，如圖4（d～f）所示；用(yòng)脈沖計數方法得(de)到的脈沖💃信号，如(ru)圖4（g～i）所示。圖4顯示，當(dang)注入氣量不大時(shí)，對渦街流量計的(de)影響不大，無論是(shì)譜分析結果還是(shì)脈沖計數得到的(de)結果都比較好。當(dāng)注入的氣量進一(yī)步增加時，渦✏️街原(yuán)始信号強度和穩(wen)定性逐漸變差🌈，渦(wo)街頻率信号會被(bei)幹擾信号所淹沒(mei)，反映到譜🛀🏻分析圖(tú)是，渦街㊙️頻率的譜(pǔ)能量減小，幹擾信(xin)号的譜能量加強(qiáng)🤩；對于脈沖信号，會(hui)因爲一些旋❓渦信(xìn)号減弱，形成脈沖(chong)缺失現象，而不能(neng)真實地反映渦街(jie)産生的頻💋率。

    表1反映了不同(tóng)流量點Q_l 下，随着注(zhu)氣量Qg的增加，渦街(jiē)發生頻率fs和fc的變(bian)化情況🍓。結果顯🐕示(shi)🈲，對于不同的水流(liu)量，當注入的氣體(ti)流量增加到一定(dìng)範圍時，不能再檢(jiǎn)測到渦街信号；在(zai)🈲一定水流量下，随(sui)着注氣量的增加(jia)譜分析得到的頻(pín)率值會變大，這是(shì)由于總的體積流(liu)量增加了，而👣脈沖(chong)計數法則由于産(chǎn)生脈沖缺失現象(xiàng)所得到的頻率值(zhi)減小。因此在氣液(yè)兩相流下，譜分析(xī)比脈沖計數法有(you)優勢，它🐕能在較高(gao)的含氣量依然能(néng)檢測到旋渦脫落(luo)的頻率🧑🏾‍🤝‍🧑🏼。

圖(tu)4 不同注氣量時頻(pin)率信号圖

    4　渦街流量計的誤(wù)差分析

    将試驗數(shu)據進行處理，得到(dao)了渦街流量計測(cè)量誤🚶差随氣相👈含(han)率變化的情況，如(rú)圖5所示。其中δs爲譜(pǔ)分析方法的測量(liang)🔴誤差，δc爲脈沖計數(shu)方法的測量誤差(chà)。渦街流量計的測(ce)量誤差用式🥵（4）來計(jì)算。其中Qs爲裝置🏃‍♂️中(zhong)标準表💰測量出的(de)🏃🏻管道總流量，Qt爲試(shì)驗管段中渦街流(liu)量計的測量值。将(jiang)譜🤩分析和脈沖計(jì)數得到的頻率值(zhí)和儀表💰系數分别(bié)代入式（5）計算Qt值。從(cong)圖💘中可💚以看出氣(qi)相含率的增加兩(liang)種測量♌方法得到(dao)的誤差📧并不相同(tóng)。當含氣率不高時(shi)，0<β<6%，譜分析法的平均(jun1)誤差爲1.226%，zui大誤差爲(wèi)2.687%，脈沖計數法的🔞平(ping)均誤差爲1.583%，zui大誤差(cha)爲2.898%，因此譜分析法(fǎ)與脈沖💋計數法的(de)測量誤差區别🌈不(bú)大，譜分析沒有明(míng)顯的優勢；在氣相(xiang)含率進一步💛增加(jia)時，6%<β<14%，譜分析法的平(ping)均誤差爲3.975%，zui大誤差(chà)爲14.058%，脈沖計數法的(de)平均誤差爲20.053%，zui大誤(wu)差爲33.130%，脈沖計數的(de)方法得到的測量(liang)誤差遠大于譜分(fèn)析方法。

    含氣液體(ti)測量誤差産生的(de)主要原因是：在氣(qi)液兩相流🈲動中，由(yóu)于氣泡對旋渦發(fā)生體的撞擊作用(yong)，氣泡對邊界層和(hé)旋渦脫落✊的影響(xiang)，以及旋渦吸入氣(qi)泡使其強度減弱(ruo)，使旋渦脈沖數缺(que)失，缺失的旋渦數(shu)不穩定，使脈沖計(ji)💁數方法測量的誤(wu)差增大，而譜🔱分析(xi)的方法在一段時(shi)域内得到主頻譜(pu)作爲渦街👉頻率值(zhi)，減小🤩了🥰旋渦缺失(shi)對測量的影響。所(suo)以含氣液體流體(ti)計量中譜分析🐇方(fang)法要好于脈沖計(jì)數的🌂方法。

圖5　不同氣(qì)相含率下渦街流(liú)量計的測量誤差(cha)

    5　結束語

    從試驗結(jié)果來看，渦街流量(liang)計在測量混有少(shǎo)量氣體的液體流(liu)量時，測量誤差會(huì)顯著增加。之所以(yi)會出現這樣的情(qing)況，一方面，氣體在(zài)液體中會形成氣(qi)泡，在旋渦發生體(ti)的後部形成氣團(tuan)，并且旋渦中心會(hui)出現一個低壓區(qū)，吸入大量質量較(jiao)輕的氣泡，從而削(xuē)弱了旋渦的能量(liàng)，使壓電傳感器檢(jian)測不到旋🏃🏻渦，導緻(zhi)檢測✔️過程中脈沖(chòng)缺失現象出現；另(lìng)一方面，由于旋渦(wō)的能量降低，會增(zeng)加流場本身對旋(xuan)渦脫🐇落的擾動，進(jìn)一步增♊加了測量(liang)的誤差。其它方面(miàn)，旋🏃‍♂️渦發生體後的(de)氣團，旋渦中心區(qū)氣泡的含量、旋渦(wo)🔱外的氣泡量、氣泡(pao)的大小等等都會(hui)影響💋測量的結果(guo)。

    通過上述的試驗(yàn)結果及分析表明(míng)，單相液體中混入(ru)少量的氣體時會(huì)導緻渦街旋渦強(qiáng)度變弱和可靠性(xìng)變差，在這種條件(jian)下測量時譜分析(xī)的方法在氣含率(lü)不大時（0<β<6%）與脈沖🔱計(jì)數的方法差别不(bú)大，但随着氣含率(lü)㊙️的進一步💞增加（6%<β<14%），譜(pǔ)分析的方法要好(hao)于脈沖計數的方(fāng)㊙️法。

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