當流體(tǐ)流過阻擋體(ti)時會在阻擋(dǎng)體的兩側交(jiāo)替産生☔旋渦(wō)，這🏃🏻種🛀現象稱(chēng)爲卡門渦街(jie)。20世紀60年代日(rì)本橫🧑🏾‍🤝‍🧑🏼河公司(sī)首😍先利用卡(kǎ)門渦街現象(xiang)研制出渦街(jiē)流量計，此後(hou)渦街流♋量計(ji)由于其諸多(duō)優點得以在(zai)工業領域廣(guǎng)泛應用[1]。      

    在單(dān)相流體介質(zhì)條件下對渦(wo)街流量計的(de)研究相對比(bi)較💋成熟，研究(jiu)者通過試驗(yàn)的方法得到(dao)了大量有價(jià)值的試驗結(jié)果，并應用到(dao)渦街流量計(ji)的開發中，使(shi)得渦街流量(liàng)計的測量精(jing)度、可靠☔性得(de)到了很大的(de)提高🌂[2，3]。工業測(cè)量中經常會(huì)有這樣的情(qíng)況出現✍️：液體(ti)管道中🤟有時(shi)會混入🙇🏻少量(liàng)的氣體，被測(ce)流質變成了(le)氣液兩💛相流(liu)。由于氣液兩(liǎng)相流的複雜(zá)性，研究💃這種(zhong)條件下渦街(jiē)流量計💚測量(liang)特性的文章(zhang)不多。西安交(jiāo)通大學的李(lǐ)永光[4-6]曾經在(zài)氣液兩相流(liú)的豎直管道(dao)上，對不同形(xing)狀的渦街發(fa)生體進行了(le)研究，對🏃‍♀️不同(tong)截面含氣率(lǜ)下渦街的結(jie)構以及斯特(te)勞哈爾數的(de)變化進行了(le)大量的試驗(yàn)研究，并給出(chū)了斯特勞哈(hā)爾數随截面(miàn)含氣率而變(bian)化的公式。李(lǐ)永光的工作(zuo)主要是從流(liú)體力學的角(jiao)度對氣液兩(liang)相流中渦街(jiē)現象的機理(lǐ)進行了研究(jiu)，其給出的試(shi)驗結果🈲涉及(jí)到截面含氣(qi)率🌈的測量[4]。本(běn)文通過試驗(yàn)從測量的角(jiao)度，研究了水(shuǐ)平管道中含(han)有少量氣體(tǐ)的液體條件(jiàn)下渦街流量(liàng)計測量結果(guo)的變化情況(kuàng)，并且測☀️量結(jié)果分别用譜(pǔ)分析和脈沖(chòng)計數兩🔞種測(ce)量方式得到(dào)，通過🌂比較發(fā)現在液含氣(qì)流體條件下(xia)譜分析要明(ming)顯優于脈沖(chòng)計數的方式(shì)。

    1　試驗裝置與(yǔ)試驗方法

    1.1　試(shì)驗裝置

    試驗(yan)介質由已測(cè)定流量的水(shui)和空氣組成(cheng)，分别送入管(guǎn)💜道混🏒和成氣(qi)液兩相流送(sòng)入試驗管段(duan)。試驗裝置如(ru)圖1所示。試驗(yan)裝🌈置由空氣(qì)壓縮機、儲氣(qi)罐、蓄水罐、分(fèn)離罐、流量計(ji)、壓力變送器(qi)✌️、溫度變🌂送器(qi)、工控機和各(gè)種閥門組成(chéng)。

    空氣壓縮機(jī)将空氣壓縮(suō)後送入儲氣(qì)罐，标準流量(liang)計1計量氣液(ye)混合前儲氣(qì)罐送入管道(dào)的氣體流量(liàng)。蓄水罐距離(lí)地面30m，提📞供試(shi)驗所需的液(yè)相，其流量由(you)☁️标準流量計(jì)2測得。液相和(hé)氣相經混和(hé)器混和後送(song)入試驗管段(duàn)，zui後流入分離(li)罐将💰水和空(kong)氣進行分離(li)，空氣由放氣(qi)閥排出，水由(yóu)水泵送回蓄(xù)水罐循環使(shǐ)用。工控機對(dui)所㊙️有儀表數(shu)據進😄行采集(ji)和顯示并對(dui)兩個電動調(diao)節閥進行控(kòng)制，調節氣⭐相(xiang)和液相的流(liú)量🙇🏻。

    試驗所用(yong)的渦街流量(liàng)計選擇了一(yī)台應用zui多的(de)壓電♌式渦街(jie)流♈量傳感器(qì)，其口徑的直(zhí)徑D=50mm。将渦街傳(chuan)感器放置在(zài)☀️水平直管段(duàn)上，其上下遊(you)直管段長度(du)分别爲30D和🧑🏾‍🤝‍🧑🏼20D。壓(ya)力變送器和(hé)溫度變送器(qi)分别放在渦(wō)街流量傳感(gan)器上遊1D和✌️下(xià)遊10D的位置，混(hùn)和器安裝在(zài)渦街流量計(ji)上遊30D的位置(zhì)。

圖1 氣液兩相(xiang)流試驗裝置(zhì)

    1.2 試驗方法    

    通(tōng)過流量計2的(de)測量和調節(jie)電動閥2，水的(de)流量取6、8、10、12m³ /h四個(ge)流量值。通過(guo)電動閥1控制(zhi)，流量計1顯示(shi)空氣注入🏃‍♂️量(liang)的🌈範圍爲0.3～1.8m³ /h，其(qi)壓力範圍爲(wei)0.4～0.5MPa。

    目前工業中(zhong)應用的渦街(jiē)流量計大部(bù)分是脈沖輸(shū)出，即将旋🔴渦(wo)信号轉化爲(wei)脈沖信号，通(tong)過對脈沖信(xìn)🌂号計數計算(suàn)出旋渦脫落(luò)的頻率。脈沖(chòng)輸出的渦街(jie)流量計主要(yao)的缺點是易(yi)受噪聲幹擾(rǎo)，對于小流量(liang)來說由于信(xìn)号微弱💚難以(yi)與噪聲區别(bie)。近幾年随着(zhe)數字信号處(chu)👅理技術的發(fa)展，出現了以(yǐ)DSP爲核心，具有(you)譜分析功能(neng)的渦街流量(liàng)計，這種方法(fa)提高了對微(wei)弱渦街頻率(lǜ)信号的識别(bié)[7-8]。考慮到這兩(liǎng)種不同類型(xing)🌈渦街流量計(jì)在工業現場(chǎng)使用，試驗中(zhong)同時用譜分(fen)析方法和脈(mo)沖計數方法(fǎ)對渦街頻率(lü)進行計算，并(bing)✉️對兩種方法(fǎ)進行了比較(jiào)。

    渦街流量計(ji)的轉換電路(lu)流程圖如圖(tu)2所示。以5000Hz的頻(pín)率❗對A點的模(mó)拟信号進行(hang)采樣，每次采(cǎi)樣10組數據，每(mei)組數據有💜5×10⁴ 個(gè)采樣點，将得(de)到的采樣點(diǎn)進行傅裏葉(yè)變換得到不(bu)同測量點渦(wo)街産生的頻(pín)率，同時通過(guo)脈沖計數的(de)方👅法對B點采(cai)樣。

圖2 渦街流(liú)量計電路框(kuàng)圖

    2 渦街流量(liang)計的标定

    将(jiang)渦街流量計(jì)在标準水裝(zhuāng)置上，分别用(yong)頻譜分析和(he)脈沖計數🔴的(de)方法進行标(biāo)定，流體介質(zhi)爲水未加氣(qì)體，采用的标(biao)準傳感器爲(wei)精度等級爲(wèi)0.2級的電磁🥵流(liú)量計。在每個(ge)流量測量點(dian)上🏃🏻‍♂️的儀表💔系(xi)數用公式（1）計(jì)算，然後用式(shi)（2）計算🈲得到zui終(zhōng)儀表系數K。Q_l 爲(wei)被測水的流(liu)量值，f爲每一(yī)個流量點得(de)到的頻率，k爲(wèi)每個⛹🏻‍♀️測量點(diǎn)得到的儀表(biǎo)系數。k_max 、k_min 分别爲(wei)試驗流量範(fan)圍内得到的(de)zui大與zui小的儀(yi)表系數。儀表(biao)系數的線性(xing)度E₁ 用式（3）來計(jì)算。

    譜分析和(he)脈沖計數兩(liang)種不同方法(fǎ)計算出的渦(wō)街流量計🔴儀(yi)㊙️表系數分别(bie)爲：Ks=10107p/m³ ；Kc=10143p/m³ ；計算得到(dao)的儀表系數(shu)線性度分别(bié)爲：1.2%和1.5%。圖3爲儀(yí)表系數随水(shui)👉流量值變化(huà)的曲線，可以(yǐ)看出，在試驗(yan)所選流量範(fan)圍内，儀表系(xì)數近似于一(yī)個常數，頻譜(pǔ)分析的結♍果(guo)與脈沖計數(shu)所得到的試(shì)驗結果差别(bie)不大，之間的(de)誤差範圍爲(wei)0.109%～0.688%。可見被😄測介(jie)質全部爲水(shui)時✨兩種測量(liàng)方法并沒有(yǒu)明☎️顯的區别(bié)。

圖3　渦街流量(liàng)計儀表系數(shù)

    3　渦街信号分(fèn)析

    試驗發現(xian)，氣相的加入(ru)對渦街流量(liàng)計測量的影(ying)響顯著，譜分(fèn)析和脈沖計(ji)數兩種方法(fǎ)随着氣相注(zhù)入的增加其(qí)表現也不同(tóng)。圖4反映了水(shuǐ)流量12m³ /h時，注入(ru)不同氣含率(lǜ)β時A點的模拟(nǐ)信号，如圖4（a～c）所(suo)示；經譜分析(xī)後得🏃‍♂️到的頻(pín)率值，如圖4（d～f）所(suo)示；用脈沖計(ji)數方法得🎯到(dao)的脈沖信号(hao)，如圖4（g～i）所示。圖(tu)4顯示，當注入(rù)氣量🍉不大時(shi)，對渦街🔴流量(liang)計的影響💞不(bu)大，無論是譜(pu)分析結果還(hai)是脈沖計數(shu)得到的結果(guǒ)都比較好。當(dāng)注入👄的氣量(liang)進一步增加(jia)時，渦街原始(shǐ)信号🔞強度和(he)穩定性逐漸(jiàn)變差，渦街頻(pin)率信号會被(bei)幹擾信号所(suǒ)淹沒，反映到(dào)譜分析圖是(shì)，渦街頻率的(de)譜能量減小(xiao)，幹擾信号的(de)譜能量加強(qiang)；對于脈沖信(xin)号，會🔴因爲一(yi)些旋渦信号(hào)減弱，形成脈(mò)沖缺失現象(xiàng)，而不能真實(shi)🈲地反🔴映渦街(jiē)産生的頻率(lǜ)。

    表1反映了不(bu)同流量點Q_l 下(xià)，随着注氣量(liàng)Qg的增加，渦街(jie)發生頻率fs和(hé)fc的變化情況(kuàng)。結果顯示，對(duì)于不同的水(shuǐ)流量，當注入(rù)的氣體流量(liang)增加到一定(ding)範圍時，不能(neng)再檢測到渦(wo)街信号；在一(yi)定水流量下(xia)，随着注氣量(liàng)的🍉增加譜分(fen)析得到的頻(pin)率值會🐅變大(dà)，這是由于總(zong)的體積流量(liang)增加了，而脈(mò)沖計數法🎯則(zé)由于産生脈(mo)沖缺失現象(xiang)所得到的❌頻(pin)率值減小。因(yīn)此在氣液兩(liang)相流下，譜分(fèn)析比脈沖計(ji)數法有優勢(shì)，它能在較高(gao)的含氣量依(yi)然能檢測到(dào)旋渦脫落的(de)頻率☎️。

圖4 不同(tóng)注氣量時頻(pin)率信号圖

    4　渦(wō)街流量計的(de)誤差分析

    将(jiāng)試驗數據進(jin)行處理，得到(dào)了渦街流量(liàng)計測量誤差(cha)随💰氣😄相含率(lǜ)變化的情況(kuàng)，如圖5所示。其(qi)中δs爲譜分析(xi)方法的測量(liang)誤差，δc爲脈📞沖(chòng)計數方法的(de)測量誤差。渦(wo)街流量計的(de)測量誤差用(yòng)式（4）來計算。其(qi)中Qs爲裝置🔴中(zhōng)标準表測量(liang)出的管道總(zong)流量，Qt爲試驗(yàn)💘管段中渦街(jiē)流量計的測(cè)量值。将譜🌍分(fèn)析和脈沖計(ji)數得到的頻(pín)率值和儀表(biao)系數分别代(dài)入式（5）計算Qt值(zhi)。從圖中可以(yi)看出氣相含(hán)率的增加兩(liǎng)種測量方法(fǎ)得到的誤✏️差(cha)🏃🏻‍♂️并不相同。當(dang)含氣☀️率不高(gāo)時，0<β<6%，譜分析法(fa)的平均誤差(chà)爲1.226%，zui大誤差爲(wei)2.687%，脈沖計數法(fa)的💋平均誤差(chà)爲1.583%，zui大誤差🙇🏻爲(wei)2.898%，因此譜分析(xī)法與脈沖計(jì)數法的測量(liàng)誤差區别不(bú)大，譜分析沒(méi)有明顯的優(yōu)勢；在氣相含(han)率進一步增(zēng)加時，6%<β<14%，譜分析(xi)法的平均誤(wu)差爲💛3.975%，zui大誤差(chà)爲14.058%，脈沖計數(shù)法的平均誤(wu)差爲20.053%，zui大誤差(cha)爲33.130%，脈沖計數(shu)的方法得到(dào)的測量誤差(chà)遠大于譜分(fen)析方法。

    含氣(qi)液體測量誤(wù)差産生的主(zhǔ)要原因是：在(zài)氣液兩相流(liu)動中，由📞于氣(qi)泡對旋渦發(fā)生體的撞擊(jī)作用，氣💛泡對(duì)邊界層和♋旋(xuán)渦脫落的影(yǐng)響，以及旋渦(wō)吸入氣泡使(shǐ)其強度減弱(ruo)，使旋渦脈沖(chòng)數缺失，缺失(shi)的旋渦🚶數不(bú)穩定，使脈沖(chòng)計數方法測(cè)💃量的誤差增(zeng)大，而譜分析(xī)的方法在一(yi)段時域❄️内得(dé)到主頻🚩譜作(zuò)爲渦街💞頻率(lü)值，減小了旋(xuan)渦缺失對測(cè)量的影響。所(suo)以🈲含氣液體(tǐ)流體🤞計量中(zhong)譜分析方法(fǎ)要好🆚于脈沖(chong)計數的方法(fa)。

圖5　不同氣相(xiang)含率下渦街(jie)流量計的測(cè)量誤差

    5　結束(shù)語

    從試驗結(jie)果來看，渦街(jiē)流量計在測(ce)量混有少量(liàng)氣體🐆的液㊙️體(ti)🌏流♈量時，測量(liàng)誤差會顯著(zhe)增加。之所以(yǐ)會出現這樣(yàng)的情況，一方(fang)面，氣體在液(ye)體中會形成(cheng)氣泡，在旋渦(wo)發生體的後(hou)部形成氣團(tuan)，并且旋渦中(zhōng)心會出現一(yi)個低壓區，吸(xi)入大量質量(liang)較輕的氣泡(pao)，從而削弱了(le)旋✔️渦的能量(liàng)，使壓電傳感(gan)器檢測不到(dào)旋渦，導緻檢(jiǎn)測❤️過程中脈(mò)沖缺失現象(xiang)出現；另一方(fāng)面🌏，由于旋渦(wo)的能量降低(dī)，會增加流場(chang)❄️本身對旋渦(wō)脫落的擾動(dong)，進一步增加(jia)了測量的誤(wù)差。其它方面(miàn)，旋渦發生體(tǐ)後的氣團，旋(xuán)渦中心區氣(qi)泡的含量、旋(xuan)渦✍️外的氣泡(pào)量、氣泡的大(da)小等等都會(hui)影響測量的(de)結果。

    通過上(shàng)述的試驗結(jié)果及分析表(biao)明，單相液體(tǐ)中混入少量(liàng)的氣體時會(hui)導緻渦街旋(xuán)渦強度變弱(ruò)和可🌈靠性變(biàn)差，在這種條(tiáo)件下測量時(shí)譜分析的方(fāng)法在氣含率(lü)不大時（0<β<6%）與脈(mò)沖計數的💃方(fang)法差别不大(da)，但随着氣含(han)率的進一步(bu)增加（6%<β<14%），譜分🈲析(xi)的方法要好(hao)于脈🌐沖計數(shù)的方⛹🏻‍♀️法。

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