當(dang)流體流(liu)過阻擋(dǎng)體時會(hui)在阻擋(dang)體的兩(liang)側交替(tì)産生旋(xuan)渦，這種(zhǒng)現象稱(cheng)爲卡門(mén)渦街。20世(shì)紀60年代(dài)日本橫(heng)河公♊司(sī)首先利(lì)用卡門(men)渦街現(xiàn)象研制(zhi)出渦街(jie)流量計(ji)，此後渦(wō)街流🚶‍♀️量(liang)計由于(yu)其諸多(duo)優點得(dé)以在工(gōng)業領域(yu)廣泛應(ying)用[1]。      

    在單(dān)相流體(tǐ)介質條(tiáo)件下對(dui)渦街流(liú)量計的(de)研究相(xiang)對比較(jiao)成熟，研(yan)究者通(tong)過試驗(yàn)的方法(fǎ)得到了(le)大量🐉有(you)價值的(de)試驗👣結(jie)果，并應(yīng)用到渦(wō)街流量(liang)計的開(kai)發中，使(shǐ)得渦街(jiē)流量計(jì)的測量(liang)精度、可(kě)靠☀️性得(de)到了很(hěn)大的提(ti)高[2，3]。工業(yè)測量🏃🏻中(zhong)經常會(hui)有這樣(yàng)的情況(kuang)出現：液(ye)體管道(dào)中🧑🏾‍🤝‍🧑🏼有時(shi)會混入(rù)少量的(de)氣體，被(bei)測流質(zhi)變成了(le)氣液兩(liǎng)相流。由(yóu)于氣液(ye)兩相流(liú)的複雜(zá)性，研究(jiū)這種條(tiáo)件⚽下渦(wo)街流量(liàng)計測量(liang)特性的(de)文章不(bu)多。西🌈安(an)交通大(da)學的李(li)永光[4-6]曾(céng)經在氣(qi)液兩相(xiàng)🆚流的豎(shu)直管道(dào)上，對不(bú)同形狀(zhuàng)的渦街(jie)發生體(ti)進行了(le)研💘究，對(duì)不同截(jié)面含氣(qi)率下渦(wō)街的結(jie)構以及(ji)斯特勞(láo)哈爾💞數(shu)的變化(hua)進行了(le)大量的(de)試驗研(yán)究，并給(gěi)出了斯(sī)特勞哈(hā)爾數随(suí)截面含(hán)氣率而(ér)變化的(de)公式。李(li)永光的(de)工作主(zhǔ)要是從(cóng)流體力(li)學的角(jiao)度對氣(qi)液兩相(xiàng)流中渦(wō)街現象(xiàng)的機理(lǐ)進行了(le)研究，其(qí)給🔆出的(de)試驗結(jie)果涉及(ji)到截面(mian)含氣率(lü)的測量(liàng)[4]。本🔞文通(tong)過試驗(yan)從測量(liang)㊙️的角🌈度(dù)，研究了(le)水平管(guǎn)道☀️中含(han)有少量(liàng)氣😘體的(de)液體條(tiao)件下渦(wo)街流量(liang)計測量(liang)結果的(de)變化情(qíng)況，并且(qiě)測❌量結(jie)果分别(bié)用譜分(fèn)❤️析和脈(mò)沖計數(shu)兩👈種測(ce)量✌️方式(shì)得到，通(tōng)過比較(jiao)發現在(zài)液含氣(qi)流體條(tiao)件下譜(pu)分析要(yao)明顯優(you)于脈沖(chòng)計數的(de)方式。

    1　試(shi)驗裝置(zhi)與試驗(yàn)方法

    1.1　試(shi)驗裝置(zhì)

    試驗介(jiè)質由已(yi)測定流(liu)量的水(shui)和空氣(qi)組成，分(fen)别送入(ru)🌈管道混(hùn)和成氣(qi)液兩相(xiang)流送入(ru)試驗管(guan)段。試驗(yàn)裝置如(ru)圖1所示(shi)。試☎️驗裝(zhuāng)置由空(kōng)氣壓縮(suo)機、儲氣(qì)罐、蓄水(shui)罐、分離(li)罐、流量(liàng)計、壓力(lì)⚽變送器(qì)、溫度變(bian)送器、工(gong)控機🈲和(he)各種閥(fa)門組成(cheng)。

    空氣壓(yā)縮機将(jiang)空氣壓(yā)縮後送(song)入儲氣(qì)罐，标準(zhun)流量計(ji)💋1計量氣(qì)液混合(hé)前儲氣(qi)罐送入(rù)管道的(de)氣體流(liú)量。蓄水(shuǐ)罐距離(lí)地⁉️面30m，提(ti)👄供試驗(yàn)所需的(de)液相，其(qí)流量由(you)标準流(liu)量計2測(ce)得。液相(xiàng)和氣相(xiang)經混和(he)㊙️器混和(hé)後送🙇‍♀️入(rù)試驗管(guǎn)💚段，zui後流(liu)入分離(lí)罐将水(shuǐ)和空氣(qi)進行分(fèn)離，空氣(qi)由放氣(qì)閥排出(chu)，水由水(shui)泵送回(huí)蓄水罐(guàn)循環使(shi)用。工控(kòng)機對所(suo)❤️有儀表(biao)數據進(jìn)行采集(jí)和顯示(shi)🈲并對🛀兩(liang)個電動(dong)😘調節閥(fa)進行控(kòng)🔅制，調節(jie)氣相和(he)液相的(de)流量。

    試(shì)驗所用(yong)的渦街(jiē)流量計(jì)選擇了(le)一台應(yīng)用zui多的(de)壓電🈲式(shì)渦街🏃‍♂️流(liú)量傳感(gan)器，其口(kou)徑的直(zhí)徑D=50mm。将渦(wo)街傳感(gǎn)🔅器放置(zhì)在水平(píng)直管段(duàn)上，其上(shàng)下遊直(zhi)管段長(zhang)度分别(bié)爲30D和20D。壓(ya)力變🏒送(sòng)器和🔅溫(wēn)度變送(song)器分🔴别(bié)放在渦(wo)街流量(liàng)傳感㊙️器(qì)上遊1D和(hé)下遊10D的(de)位置，混(hùn)和器安(an)裝在渦(wo)街流量(liàng)計上👣遊(you)30D的位置(zhi)。

圖1 氣(qi)液兩相(xiàng)流試驗(yàn)裝置

    1.2 試(shi)驗方法(fǎ)    

    通過流(liú)量計2的(de)測量和(hé)調節電(dian)動閥2，水(shuǐ)的流量(liang)取6、8、10、12m³ /h四個(ge)流量值(zhi)。通過電(diàn)動閥1控(kòng)制，流量(liang)計1顯示(shi)空氣注(zhù)入量的(de)🙇🏻範圍爲(wèi)0.3～1.8m³ /h，其壓力(lì)範圍爲(wei)0.4～0.5MPa。

    目前工(gong)業中應(yīng)用的渦(wō)街流量(liàng)計大部(bu)分是脈(mò)沖輸出(chū)，即将旋(xuan)渦信号(hao)轉化爲(wèi)脈沖信(xin)号，通過(guò)對脈沖(chong)信号計(jì)數計👈算(suan)出旋渦(wo)脫落的(de)頻率。脈(mò)沖輸出(chū)的渦街(jiē)♌流量計(jì)主要的(de)缺點是(shì)易受噪(zào)聲幹擾(rǎo)，對于小(xiao)流量來(lai)說由于(yu)信号微(wei)弱難以(yi)與噪聲(sheng)區别。近(jìn)幾年随(suí)着數字(zi)信号處(chù)理技術(shù)的發♌展(zhǎn)，出現了(le)以DSP爲核(hé)心，具有(you)譜分析(xī)功能的(de)渦街流(liu)量計，這(zhè)🏃🏻‍♂️種方法(fǎ)提高了(le)♌對微弱(ruo)渦街頻(pin)率信号(hao)的識别(bie)[7-8]。考慮到(dao)這兩種(zhǒng)不同類(lei)型渦街(jiē)流量計(ji)在工業(ye)現場使(shi)用，試驗(yàn)中同✂️時(shí)用譜分(fèn)析方法(fa)和脈沖(chong)計數方(fāng)法對渦(wō)街頻率(lü)進行計(jì)♋算，并✌️對(dui)兩種方(fang)法進行(háng)了比較(jiào)。

    渦街流(liú)量計的(de)轉換電(dian)路流程(chéng)圖如圖(tú)2所示。以(yǐ)5000Hz的頻🌐率(lü)對👣A點的(de)☂️模拟信(xin)号進行(hang)采樣，每(mei)次采樣(yàng)10組數據(ju)，每組數(shu)㊙️據有5×10⁴ 個(gè)采樣點(dian)，将得到(dao)的采樣(yang)點進行(hang)傅裏葉(ye)變換得(de)到不同(tong)測❤️量點(dian)渦街産(chǎn)生的頻(pín)率，同時(shi)通過脈(mo)沖計數(shù)的方⛷️法(fa)對B點采(cǎi)⛱️樣。

圖(tú)2 渦街流(liu)量計電(diàn)路框圖(tu)

    2 渦街流(liú)量計的(de)标定

    将(jiāng)渦街流(liú)量計在(zài)标準水(shui)裝置上(shàng)，分别用(yòng)頻譜分(fèn)析和脈(mò)♊沖計數(shu)的方法(fa)進行标(biao)定，流體(ti)介質爲(wei)水未加(jia)氣體，采(cǎi)用的标(biao)準傳感(gǎn)器爲精(jing)度等級(ji)爲0.2級的(de)電磁🤩流(liu)量計。在(zai)每個💜流(liú)量測量(liàng)點上的(de)儀表系(xi)數用公(gong)式（1）計算(suàn)，然後用(yong)式（2）計算(suan)得到zui終(zhōng)儀表系(xì)數K。Q_l 爲被(bei)測水的(de)流量值(zhi)，f爲每一(yi)個流量(liang)點得到(dao)的頻率(lǜ)，k爲每個(ge)⚽測量點(diǎn)得到的(de)儀表系(xì)數。k_max 、k_min 分别(bie)爲試驗(yàn)流量範(fàn)圍内得(dé)到的zui大(da)與zui小的(de)儀表系(xì)數。儀表(biao)系數的(de)線性度(du)E₁ 用式（3）來(lai)計算。

    譜分析(xī)和脈沖(chong)計數兩(liǎng)種不同(tong)方法計(jì)算出的(de)渦街流(liú)量✉️計儀(yi)表系數(shù)分别爲(wèi)：Ks=10107p/m³ ；Kc=10143p/m³ ；計算得(de)到的儀(yi)表系數(shù)線性度(dù)分别爲(wei)：1.2%和1.5%。圖3爲(wèi)儀表系(xì)數随水(shuǐ)流量值(zhi)變化的(de)曲線，可(ke)以看出(chu)，在試驗(yan)所選流(liu)🔴量範圍(wéi)内💋，儀表(biǎo)系數近(jìn)似于一(yi)個常數(shu)，頻譜分(fen)析的結(jie)果與脈(mò)⭕沖計數(shù)所得到(dào)的試驗(yàn)結果差(chà)别不👉大(da)，之間的(de)誤差範(fàn)圍爲0.109%～0.688%。可(kě)見被測(ce)介質全(quan)部爲水(shui)時兩種(zhong)測量方(fang)法并沒(mei)有明顯(xian)的區别(bie)。

圖3　渦(wo)街流量(liang)計儀表(biao)系數

    3　渦(wō)街信号(hao)分析

    試(shi)驗發現(xian)，氣相的(de)加入對(dui)渦街流(liu)量計測(cè)量的影(ying)響顯著(zhe)，譜😍分析(xī)和脈沖(chong)計數兩(liǎng)種方法(fǎ)随着氣(qi)相注入(rù)的增加(jiā)其表現(xiàn)也不同(tong)。圖4反映(yìng)了水流(liú)量12m³ /h時，注(zhù)入不同(tong)氣含率(lü)β時A點的(de)模拟信(xìn)号，如圖(tu)4（a～c）所示；經(jīng)譜分析(xī)後得到(dào)的頻率(lü)值，如圖(tu)4（d～f）所示；用(yong)脈沖計(jì)數方法(fa)得到的(de)脈沖信(xìn)号，如圖(tu)4（g～i）所示。圖(tú)4顯示，當(dang)注入氣(qi)量✉️不大(da)時，對渦(wō)街流量(liang)計🍉的影(ying)響不大(dà)，無論是(shi)譜分析(xi)結果還(hai)是🏃🏻脈沖(chong)計數得(dé)到的結(jié)果都比(bi)較好。當(dang)注入㊙️的(de)氣量進(jìn)一💘步增(zēng)加時，渦(wō)街原始(shǐ)信号🐇強(qiang)度和穩(wen)定性逐(zhú)漸變差(cha)，渦街頻(pín)率信号(hao)會被幹(gan)擾信号(hao)所淹沒(méi)⭕，反映到(dào)譜分析(xī)圖是，渦(wō)街頻率(lü)的譜能(néng)量減小(xiao)，幹擾🐆信(xin)号的譜(pu)能量加(jiā)強；對于(yú)脈沖信(xin)号，會💯因(yīn)爲一些(xie)旋渦信(xìn)号減弱(ruò)，形成脈(mo)沖😄缺失(shi)現象，而(er)不能真(zhēn)實地反(fan)映渦街(jie)産生的(de)頻率。

    表1反映(yìng)了不同(tóng)流量點(diǎn)Q_l 下，随着(zhe)注氣量(liàng)Qg的增加(jia)，渦街發(fa)生頻率(lǜ)fs和fc的變(biàn)化情況(kuàng)✍️。結果顯(xiǎn)示，對于(yú)不同的(de)水流量(liang)，當注入(ru)的氣體(tǐ)流量增(zēng)加到一(yi)定範圍(wéi)時，不能(neng)再檢測(cè)到渦街(jiē)信号；在(zai)一定水(shuǐ)流量下(xia)，随着注(zhu)氣量的(de)增加譜(pǔ)分析得(de)到的頻(pin)率值會(huì)變大，這(zhe)是🐅由于(yú)總的體(tǐ)積流量(liàng)🐉增加了(le)，而脈沖(chòng)計數法(fa)則由于(yú)産生脈(mo)沖缺失(shi)現象所(suo)得到的(de)⛱️頻率值(zhí)減小。因(yīn)此在氣(qì)液兩相(xiang)流下，譜(pu)分析比(bǐ)脈沖計(jì)數法有(yǒu)優勢，它(ta)能在較(jiao)高的含(hán)氣量依(yī)然能檢(jiǎn)測⁉️到旋(xuán)渦脫落(luo)的頻率(lü)。

圖4 不(bu)同注氣(qì)量時頻(pin)率信号(hao)圖

    4　渦(wō)街流量(liàng)計的誤(wu)差分析(xi)

    将試驗(yan)數據進(jìn)行處理(li)，得到了(le)渦街流(liu)量計測(cè)量誤差(chà)随氣🈲相(xiàng)含率變(biàn)化的情(qing)況，如圖(tú)5所示。其(qi)中δs爲譜(pu)分⁉️析方(fāng)🌈法的測(ce)量誤差(chà)，δc爲脈沖(chòng)計數方(fang)法的測(cè)量誤差(chà)。渦街流(liú)量計的(de)測量誤(wu)㊙️差用式(shì)（4）來計算(suàn)🌂。其中Qs爲(wèi)裝置中(zhōng)标準表(biǎo)測量出(chū)的🏃管道(dao)總流量(liang)，Qt爲試驗(yan)管段中(zhōng)渦✏️街流(liú)量計的(de)測量值(zhi)。将譜分(fen)析和脈(mò)沖🏃‍♂️計數(shù)得到的(de)頻率值(zhí)和儀表(biǎo)系數分(fèn)别代入(rù)式（5）計算(suan)Qt值。從圖(tú)⭕中可以(yi)看出氣(qì)相含率(lǜ)的增加(jiā)兩種測(cè)量方法(fǎ)得到的(de)誤差并(bìng)不相同(tóng)。當含氣(qì)率不高(gāo)時，0<β<6%，譜分(fèn)析法的(de)平均誤(wù)差爲1.226%，zui大(dà)誤差爲(wei)2.687%，脈沖計(ji)數法的(de)平均誤(wù)差爲1.583%，zui大(dà)誤差爲(wèi)2.898%，因此譜(pǔ)分析法(fa)與脈沖(chòng)計數法(fǎ)的測量(liàng)誤差區(qū)别不大(dà)，譜分析(xi)沒有明(míng)顯的優(yōu)勢；在氣(qi)相含率(lǜ)進一步(bu)增加時(shí)，6%<β<14%，譜分析(xī)法的平(píng)均誤差(chà)爲3.975%，zui大誤(wu)差爲14.058%，脈(mò)沖計數(shu)法的平(ping)均誤差(cha)爲20.053%，zui大誤(wu)差爲33.130%，脈(mò)沖計數(shù)的方法(fǎ)得到的(de)測量誤(wù)差遠大(da)🛀于譜分(fen)析方法(fa)。

    含氣液(yè)體測量(liàng)誤差産(chan)生的主(zhǔ)要原因(yin)是：在氣(qì)液兩相(xiang)流動中(zhōng)，由于氣(qì)泡對旋(xuan)渦發生(shēng)體的撞(zhuang)擊作用(yòng)，氣泡對(dui)邊界層(céng)和🌈旋渦(wo)脫落的(de)影響，以(yǐ)及旋渦(wo)吸入氣(qi)泡使其(qí)強度減(jiǎn)弱，使旋(xuan)渦脈沖(chòng)數缺失(shī)，缺失的(de)旋渦數(shù)不穩定(dìng)，使脈沖(chong)計數方(fāng)法測量(liàng)的誤差(chà)增大，而(ér)譜分析(xī)的方法(fa)在一段(duàn)時域内(nèi)得到主(zhu)頻譜作(zuò)爲渦街(jiē)頻率值(zhí)，減小了(le)旋渦缺(que)失對測(cè)量的影(yǐng)響。所以(yi)含氣液(yè)體流體(ti)計量中(zhong)譜分析(xi)方法要(yào)好⛹🏻‍♀️于脈(mo)沖計數(shu)的方法(fa)。

圖(tu)5　不同氣(qi)相含率(lü)下渦街(jie)流量計(ji)的測量(liàng)誤差

    5　結(jie)束語

    從(cong)試驗結(jié)果來看(kàn)，渦街流(liu)量計在(zai)測量混(hun)有少量(liang)氣體的(de)液體㊙️流(liu)量時，測(ce)量誤差(cha)會顯著(zhe)增加。之(zhī)所以會(hui)出現這(zhè)樣的情(qíng)況，一方(fang)面，氣體(tǐ)在液體(tǐ)中會形(xing)成氣泡(pào)，在旋渦(wo)發生體(tǐ)的後🌈部(bu)形成氣(qi)團，并且(qiě)旋渦中(zhong)心👣會出(chū)現一🌏個(gè)低壓區(qu)，吸入大(da)量質量(liang)較輕⭐的(de)氣泡，從(cong)而削弱(ruo)了旋渦(wō)的能量(liàng)，使壓電(diàn)傳感器(qi)檢測不(bu)到旋渦(wō)，導緻檢(jiǎn)測過程(chéng)中脈沖(chòng)缺失現(xiàn)象出現(xiàn)；另一方(fang)面，由于(yú)旋渦💘的(de)能量降(jiàng)低，會增(zeng)加流場(chang)👅本身對(duì)旋渦脫(tuo)落的擾(rao)動，進一(yi)步增🧑🏾‍🤝‍🧑🏼加(jia)了測量(liàng)的誤差(chà)。其它方(fāng)面，旋渦(wo)發生體(tǐ)後的氣(qi)團，旋渦(wo)中心區(qū)氣泡的(de)含量、旋(xuan)渦🌈外的(de)氣泡量(liàng)、氣泡的(de)大小等(děng)等都會(huì)影響測(cè)量的結(jié)果。

    通過(guo)上述的(de)試驗結(jié)果及分(fèn)析表明(ming)，單相液(ye)體中混(hùn)入少量(liàng)的氣體(ti)時會導(dao)緻渦街(jie)旋渦強(qiang)度變弱(ruo)和可㊙️靠(kào)性變差(cha)，在這種(zhǒng)條❤️件下(xia)測量時(shi)譜分析(xi)的方法(fǎ)在氣含(han)率不大(da)時（0<β<6%）與脈(mò)沖計數(shu)的🥰方法(fa)差别不(bu)大，但随(sui)着氣含(hán)率的進(jìn)一步增(zeng)加（6%<β<14%），譜分(fen)析的方(fāng)法要好(hao)于脈🌍沖(chong)計數的(de)方法。

    參(can)考文獻(xian)：

    [1]　PankaninGL.Thevortexflowmeter：Variousmethodsofinvestigatingphenomena[J].MeasSciTechnol，2005，16：R1-R16.
    [2]BentleyJP，MuddJW.Vortexsheddingmechanismsinsingleanddualbluffbodies[J].FlowMeasurementandInstrumentation，2003（14）：23-31.
    [3]BentleyJP，BensonRA.Designconditionsforopti2maldualbluffbodyvortexflowmeter[J].FlowMeasInstrum，1993（4）：205-213.
    [4]李永光(guāng)，林宗虎(hǔ)，王樹衆(zhong).氣液兩(liang)相流體(ti)渦街中(zhong)旋渦結(jié)構🔴的特(tè)性研究(jiu)[J].西安交(jiao)通大學(xue)學報，1996，30（2）：36-41.
    [5]李(lǐ)永光，林(lín)宗虎.氣(qi)液兩相(xiang)渦街的(de)數值計(jì)算[J].力學(xué)與實踐(jiàn)㊙️，1997，19（3）：14-18.
    [6]李永光(guang)，林宗虎(hu).氣液兩(liang)相渦街(jie)穩定性(xing)的研究(jiū)[J].力學學(xue)報，1998，30（2）：138-144.
    [7]徐科(kē)軍，呂迅(xùn)宏，陳榮(róng)保，等.基(jī)于DSP、具有(you)譜分析(xi)功能的(de)渦街♉流(liu)量計信(xìn)号處理(li)系統[J].儀(yí)器儀表(biao)學報，2001，22（3）：255-264.
    [8]孫(sun)宏軍，張(zhang)濤，淩箐(qìng).基于松(sōng)弛陷波(bo)周期圖(tú)法的渦(wo)街流量(liang)計信号(hào)處理技(ji)術的研(yan)究[J].儀器(qi)儀表學(xue)報，2004，25（5）：577-581