當流體流(liu)過阻擋體時會在(zai)阻擋體的兩側交(jiao)替産生旋渦，這種(zhǒng)現象稱爲卡門渦(wo)街。20世紀60年代日本(ben)橫河公司首先利(li)用卡門渦街現象(xiang)研制出渦街流量(liàng)‼️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(dan)相流體介質條件(jiàn)下對渦街流量計(jì)的研究相對比較(jiao)成💃熟，研究者通過(guo)試驗的方法得到(dao)了大量⛷️有價值的(de)試驗結果，并應用(yong)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(you)這樣的情況出現(xiàn)：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(you)于氣液兩相流的(de)複雜性，研究這種(zhong)條件下渦街流量(liang)計測量特性的文(wen)章不多。西安交通(tong)大學的李永🔞光[4-6]曾(céng)經在氣液兩🧑🏾‍🤝‍🧑🏼相流(liu)的豎直🚩管道上，對(duì)不同形狀的渦街(jiē)發生體進行了研(yan)究，對不同截面含(hán)氣率下渦街的結(jie)構以及斯特勞哈(hā)爾數的變化進行(háng)了大量的試驗研(yán)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(jiē)現象的機理進行(hang)了研究，其給出的(de)試驗結♋果涉及到(dào)截面含氣率的測(cè)量[4]。本文通過試驗(yàn)從測量的角度，研(yán)究了水平管道中(zhōng)含有少量氣💚體的(de)液體條件下渦街(jie)流量計測量結果(guo)的變化情況📧，并且(qiě)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(fa)現在液含氣流體(ti)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(shi)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(song)入試驗管段。試驗(yan)裝置如圖1所示。試(shì)驗裝置由空氣壓(yā)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(he)各種閥⭐門組成。

    空(kong)氣壓縮機将空氣(qì)壓縮後送入儲氣(qì)罐，标準流量計🧑🏽‍🤝‍🧑🏻1計(ji)㊙️量氣液混合前儲(chu)氣罐送入管道的(de)氣體流量🥵。蓄水罐(guàn)距離地面30m，提供試(shì)驗所需的液相，其(qí)流量由标準流✏️量(liàng)計2測得。液相和氣(qì)相👨‍❤️‍👨經混和器混和(he)後送入試驗管段(duàn)，zui後流入分離罐将(jiang)水和空氣進行分(fen)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(yǒu)儀表數據進行采(cǎi)集和顯示并對😄兩(liang)個電動調節閥進(jìn)行控🈲制，調節氣相(xiang)和液相的流量。

    試(shi)驗所用的渦街流(liú)量計選擇了一台(tái)應用zui多的壓電🌍式(shi)渦街👈流量傳感器(qi)，其口徑的直徑D=50mm。将(jiang)渦街傳感器放置(zhì)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(yā)力變送器和溫度(du)變送器分别放在(zai)渦街流量傳感器(qi)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(tong)過流量計2的測量(liàng)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(fa)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(wéi)爲0.4～0.5MPa。

    目前工業中應(ying)用的渦街流量計(ji)大部分是脈沖輸(shū)出，即将旋渦♍信号(hào)轉化爲脈沖信号(hao)，通過對脈沖信☁️号(hào)計數計算出旋渦(wō)脫落的頻率。脈沖(chòng)輸出的渦街🏃🏻流量(liang)計主要的缺點是(shì)易受噪聲幹擾，對(dui)于小流量來說由(you)于信号微弱難以(yǐ)與噪聲區别。近幾(jǐ)年随着🈲數字信号(hào)處理技術的發展(zhan)，出現了以DSP爲核心(xīn)，具有💚譜分析功能(néng)的渦街流量計，這(zhe)種方法提高了⭕對(dui)微💰弱渦街頻率信(xin)号的識别[7-8]。考慮到(dào)這兩種不同類型(xíng)渦街流量計在工(gong)業現場使用，試驗(yan)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(bǐ)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(pin)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(diǎn)，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(jie)流量計電路框圖(tú)

    2 渦街流量計的标(biao)定

    将渦街流量計(ji)在标準水裝置上(shang)，分别用頻譜分析(xī)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(chuan)感器🏃爲精度等級(ji)爲0.2級的電磁流量(liang)計。在每個流量測(ce)量點上的儀表系(xi)數用公式（1）計算，然(ran)後用式（2）計算得到(dao)zui終儀表系數K。Q_l 爲被(bei)測水的流量值，f爲(wèi)每一個流量點得(dé)到的頻率，k爲每個(ge)測💋量點得到的儀(yí)表系數。k_max 、k_min 分别爲試(shì)驗流量範圍内得(dé)到的zui大與zui小的儀(yí)表系❄️數。儀表系數(shù)的線性度E₁ 用式（3）來(lai)計算。

    譜分(fen)析和脈沖計數兩(liǎng)種不同方法計算(suàn)出的渦街流💰量計(ji)儀表系數分别爲(wei)：Ks=10107p/m³ ；Kc=10143p/m³ ；計算得到的儀表(biǎo)系數線性度分别(bie)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(liu)量範圍内💘，儀表系(xi)數近似于一個常(chang)數，頻譜分析的結(jie)‼️果與脈沖計數🏃所(suǒ)得到的試驗結果(guo)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(wei)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(xì)數

    3　渦街信号分析(xi)

    試驗發現，氣相的(de)加入對渦街流量(liang)計測量的影響顯(xiǎn)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(tóng)。圖4反映了水流量(liang)12m³ /h時，注入不同氣含(han)率β時A點的模拟信(xìn)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(yong)脈沖計數方法得(de)🈲到的脈沖信号，如(rú)圖4（g～i）所示。圖4顯示，當(dāng)注入氣量💃不大時(shi)，對渦街流量計的(de)影響不大，無論是(shì)譜分析結果還是(shi)脈沖計數得到的(de)結果都比較好。當(dang)注入的氣量進一(yi)步增加時，渦街原(yuán)始信号強度和穩(wěn)定👌性逐漸變差，渦(wo)街頻率信号會被(bèi)幹擾信号所💁淹沒(méi)，反映到譜分析圖(tu)是，渦街頻率的譜(pu)能量減小，幹擾信(xìn)号的譜能量加強(qiang)；對于脈沖信号，會(huì)因爲一些旋渦信(xin)号減弱，形成脈沖(chòng)缺失現🌍象，而不能(néng)真實地反映渦街(jiē)産生的頻率。

    表1反映了不同(tong)流量點Q_l 下，随着注(zhù)氣量Qg的增加，渦街(jiē)發生頻率fs和fc的變(biàn)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(ding)範圍時，不能再檢(jiǎn)測到渦街信号；在(zai)一定水流量下，随(suí)着注氣量的增加(jia)譜分析得到的頻(pin)率值會變大，這是(shi)由于總的🏃體積流(liú)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(ye)兩相流下，譜分析(xi)比脈沖計數法有(yǒu)優勢，它能在較高(gāo)的含氣量依然能(neng)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(dào)了渦街流量計測(ce)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(liàng)誤差，δc爲脈沖計數(shù)方法的測量誤差(chà)。渦街流量計的測(ce)量誤🎯差用式🤩（4）來計(ji)算📧。其中Qs爲裝置中(zhōng)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(jiāng)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(liǎng)種測量方法得到(dao)的誤差并不相同(tóng)。當含氣率不高時(shí)，0<β<6%，譜分析法的平均(jun1)誤差爲1.226%，zui大誤差爲(wei)2.687%，脈沖計☎️數法的平(píng)均誤差爲1.583%，zui大誤差(chà)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(bu)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(wù)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(fen)析方法🔆。

    含氣液體(ti)測量誤差産生的(de)主要原因是：在氣(qì)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(he)旋渦脫落的影響(xiang)，以及旋渦吸入氣(qì)泡使其強度減弱(ruo)，使旋渦脈沖數缺(que)失，缺失的旋渦🌏數(shù)不穩定，使脈沖計(jì)數方法測量的誤(wù)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(zhí)，減小🤩了旋渦缺失(shi)對測量的影響。所(suo)以含氣液體流體(tǐ)計量中譜分析方(fāng)法要好于脈沖計(ji)數的🥵方法。

圖5　不同氣(qi)相含率下渦街流(liu)量計的測量誤差(cha)

    5　結束語

    從試驗結(jié)果來看，渦街流量(liàng)計在測量混有少(shao)量氣體的液體流(liú)量時，測量誤差會(hui)顯著增加。之所以(yi)會出現這樣的情(qing)㊙️況，一方面，氣體在(zai)液體中會形成氣(qi)泡，在旋渦發生體(ti)的後部形成氣團(tuán)，并且旋渦中心會(huì)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(zhì)檢測過程中脈沖(chòng)缺失現象出現；另(ling)一方面，由于旋渦(wo)的能量降低，會增(zeng)加流場本身對旋(xuán)渦脫落的擾動，進(jìn)一步增🔅加了測量(liàng)的誤差。其♻️它方面(mian)，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(pào)的大小🔴等等都會(hui)影響測量的結果(guǒ)。

    通過上述的試驗(yàn)結果及分析表明(ming)，單相液體中混入(ru)少量的氣🤞體時會(huì)導緻渦街旋渦強(qiang)度變弱和可靠性(xìng)🏃🏻‍♂️變差，在這🌈種條件(jiàn)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(ji)數的方法差别不(bú)大，但随💁着氣含率(lǜ)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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