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(zhong)💘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(mén)渦街現象研制(zhì)出渦街流量計(ji)，此後渦街流量(liang)計由于其諸多(duo)優點得以在工(gōng)業領域廣泛應(ying)用[1]。      

    在單相流體(ti)介質條件下對(dui)渦街流量計的(de)研究相對比較(jiao)成熟，研究者通(tōng)過試驗的方法(fa)得到了大量有(yǒu)價值的🙇🏻試驗結(jie)果🚶，并應用到渦(wō)街流量計的開(kai)發中，使得渦街(jie)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(zhōng)經常會有這樣(yang)的情況出現🈚：液(yè)體管道中有時(shi)會混入少量的(de)氣體，被測流質(zhi)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(tiao)件下渦街流量(liàng)計測量特性⭐的(de)文章不多。西安(an)交通大學的李(lǐ)永光[4-6]曾經在氣(qì)液兩相流的豎(shu)直管道上，對不(bu)同形狀的渦街(jiē)發生體進行了(le)研究，對不同截(jié)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(sui)截面含氣率而(ér)變化👅的公式。李(lǐ)永光的工作主(zhǔ)要是從流體力(lì)學的角度對氣(qì)液兩相流中渦(wo)街現象的機理(lǐ)進行了研究，其(qí)給出的試驗結(jie)果🌐涉及到截面(miàn)含氣率的測量(liang)[4]。本文通過試驗(yàn)從測量的角度(dù)，研究了水平管(guan)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(bie)用譜分析和脈(mo)沖計數☎️兩種測(cè)量方式得到，通(tōng)過比較發現在(zai)液含氣流體條(tiáo)件下譜分析❄️要(yào)明顯優于脈沖(chòng)計數的方式。

    1　試(shì)驗裝置與試驗(yàn)方法

    1.1　試驗裝置(zhì)

    試驗介質由已(yi)測定流量的水(shui)和空氣組成，分(fen)别送入管道混(hun)💋和成氣液兩相(xiàng)流送入試驗管(guan)段。試驗裝置如(rú)圖1所示。試驗裝(zhuang)置由空氣壓縮(suo)機、儲氣罐、蓄水(shuǐ)⛱️罐、分離💃🏻罐、流量(liàng)💋計、壓力🌐變送器(qì)、溫度變🥵送器、工(gong)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(ru)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(qi)流量由标準流(liu)量計2測得。液相(xiàng)🏃和氣相經混和(hé)器混和後送入(ru)試驗管段，zui後流(liú)入分離罐将水(shui)和空氣進行分(fen)離😍，空氣由放氣(qi)閥排出，水由♈水(shuǐ)泵送回蓄水罐(guan)循環使用。工控(kòng)機對所有儀表(biǎo)數據進🚩行采集(ji)和顯示并對🥵兩(liang)個電動調節閥(fá)📐進行控制，調節(jiē)氣相和液相的(de)流🔴量。

    試驗所用(yòng)的渦街流量計(ji)選擇了一台應(yīng)用zui多的壓電式(shì)渦街流量傳感(gǎn)器，其口徑的直(zhi)徑D=50mm。将渦街傳感(gǎn)✨器放置在水平(píng)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(wēn)度變送器分♈别(bié)放在渦街流量(liang)傳感器上遊1D和(he)下遊10D的位置，混(hun)和器安裝在渦(wo)街流量計上💘遊(yóu)30D的位置。

圖1 氣液兩相(xiàng)流試驗裝置

    1.2 試(shì)驗方法    

    通過流(liu)量計2的測量和(he)調節電動閥2，水(shui)的流量取6、8、10、12m³ /h四個(ge)流量值。通過電(diàn)動閥1控制，流量(liàng)計1顯示空氣注(zhù)入量的範♌圍🔞爲(wei)0.3～1.8m³ /h，其壓力範圍爲(wèi)0.4～0.5MPa。

    目前工業中應(ying)用的渦街流量(liàng)計大部分是脈(mo)沖輸出，即将☀️旋(xuán)渦信号轉化爲(wei)脈沖信号，通過(guò)對脈沖信号計(ji)數計算出旋渦(wō)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(xiǎo)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(zhe)種方法提高了(le)對微弱渦街頻(pin)率信号的識别(bié)[7-8]。考慮到這兩種(zhong)不同類型渦😍街(jie)流量計在工業(yè)現場使用，試驗(yàn)中同時用譜分(fèn)析方法和脈沖(chòng)計數方☎️法對渦(wō)街頻率進行計(ji)算，并對兩種方(fang)法進行了比較(jiao)。

    渦街流量計的(de)轉換電路流程(chéng)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(diǎn)，将得到的采樣(yang)點進行傅裏葉(yè)變換得到不同(tóng)測量點渦街産(chan)生的頻率，同時(shí)通過脈沖計數(shù)的方法對B點采(cai)⭕樣。

圖(tu)2 渦街流量計電(diàn)路框圖

    2 渦街流(liú)量計的标定

    将(jiāng)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(ji)爲0.2級的電磁流(liú)量計。在每個流(liu)量測量點上的(de)儀表系數用公(gong)式⛹🏻‍♀️（1）計算，然後用(yong)式（2）計算得到zui終(zhōng)儀表系數K。Q_l 爲被(bei)測水的流量值(zhí)，f爲每一個流量(liang)點得到的頻率(lǜ)，k爲每個測😍量🔱點(dian)得到的儀表系(xì)數。k_max 、k_min 分别爲試驗(yàn)流量範圍内得(de)到的zui大與zui小的(de)儀表系數。儀表(biao)🎯系數的線性度(du)E₁ 用式（3）來計算。

    譜分析(xi)和脈沖計數兩(liǎng)種不同方法計(ji)算出的渦街流(liú)💜量計儀表系數(shu)分别爲：Ks=10107p/m³ ；Kc=10143p/m³ ；計算得(dé)到的儀表系數(shù)線性度分别爲(wèi)：1.2%和1.5%。圖3爲儀表系(xi)數随🏒水流量值(zhi)變化的曲線，可(ke)以看出，在試驗(yan)所選流量範圍(wéi)内，儀表系數近(jin)似于一個常數(shù)，頻譜分析的結(jie)果與脈💘沖計數(shu)所得到的試驗(yàn)結果差别不🚶大(dà)，之間的誤差範(fàn)圍爲0.109%～0.688%。可見被測(ce)介質全♋部爲水(shui)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(shì)驗發現，氣相的(de)加入對渦街流(liu)量計測量的影(ying)響顯著，譜分析(xi)和脈沖計數兩(liǎng)種方法随着氣(qì)相注入📱的增加(jia)其表現也不🈚同(tong)。圖4反映了水流(liú)量12m³ /h時，注入不同(tóng)氣含率β時A點的(de)模拟信号，如圖(tú)4（a～c）所示；經譜🔆分析(xī)🔆後🔞得到的頻率(lü)值，如圖4（d～f）所示；用(yòng)脈沖計數方法(fǎ)得到的脈沖信(xìn)号，如圖4（g～i）所示。圖(tú)4顯示，當注入氣(qì)量不大時，對渦(wō)街⛱️流量計的影(ying)響不大，無論是(shì)譜分析💞結果還(hái)是脈沖計數得(de)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(shi)信号強度和穩(wěn)定性逐漸變差(cha)，渦街頻率信号(hào)會被幹擾信号(hao)所淹沒，反映到(dào)譜分析圖是，渦(wo)街頻率的譜能(neng)量減小，幹擾信(xìn)号的譜能量加(jiā)強🈲；對于脈沖信(xìn)号，會因爲一些(xie)旋渦信号減弱(ruò)，形成脈沖缺失(shī)現👣象，而不能真(zhen)實地反映渦街(jie)産生的頻率。

    表1反映(ying)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(biàn)化情🙇‍♀️況。結果顯(xiǎn)示，對于不同的(de)水流量，當注入(ru)的氣體流量增(zēng)加到一定範圍(wéi)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(yu)總的體積流量(liang)💋增加了，而脈沖(chòng)計數法則由于(yú)産生🔴脈沖缺失(shī)現象所得到的(de)頻率值減小。因(yin)🍓此在氣液兩相(xiang)流下，譜分析比(bi)脈沖🌈計數法有(you)優勢，它能在較(jiào)高的含氣量依(yi)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(liang)計的誤差分析(xī)

    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(xiang)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(yàn)管段中渦街流(liú)量計的測量值(zhí)。将譜分析和脈(mò)沖🌂計數得到的(de)頻率值和儀⁉️表(biao)系數分别代入(rù)式（5）計算Qt值。從圖(tú)中可以看出氣(qi)相含率💞的增加(jia)兩種測量方法(fa)得到的誤🏃差并(bìng)不相同。當含氣(qì)🔞率不高時，0<β<6%，譜分(fen)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(dà)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(wù)差爲33.130%，脈沖計數(shù)🚶‍♀️的方法得到的(de)測量誤差遠大(dà)于譜分析方法(fǎ)。

    含氣液體測量(liang)誤差産生的主(zhǔ)要原因是：在氣(qì)液兩相流🚩動🌈中(zhōng)，由于氣泡對旋(xuan)渦發生體的撞(zhuàng)擊作用，氣泡對(dui)邊界層和旋渦(wo)脫落⭐的影響，以(yǐ)及旋渦吸入氣(qì)泡使其強度減(jian)🔅弱，使旋渦脈沖(chong)🛀🏻數缺失🔱，缺失的(de)旋渦數不穩定(ding)，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(jiē)頻率值，減小了(le)旋渦缺失對測(cè)量的影響。所以(yi)含氣液體流體(tǐ)計量中譜分析(xi)方法要好于脈(mo)沖計數的方🧑🏽‍🤝‍🧑🏻法(fǎ)。

圖5　不同氣(qi)相含率下渦街(jiē)流量計的測量(liàng)誤差

    5　結束語

    從(cong)試驗結果來看(kàn)，渦街流量計在(zai)測量混有少量(liàng)氣體的液✍️體流(liu)✏️量時，測量誤差(chà)會顯著增加。之(zhi)所以會出現這(zhè)樣🈲的情況，一方(fang)面，氣體在液體(tǐ)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(zhōng)心會出現一🈲個(ge)低壓區，吸入大(da)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(xian)象出現；另一方(fāng)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(jia)了測量的誤差(chà)。其它方面，旋🛀渦(wo)發生體後的氣(qì)團，旋渦中心區(qu)氣泡的含量、旋(xuán)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(jié)果及分析表明(ming)，單相液體中混(hùn)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(cha)，在這種條件下(xià)測量時譜分析(xi)的方法在氣含(han)率不大時（0<β<6%）與脈(mò)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(fen)析的方法要好(hǎo)于脈沖計數的(de)方㊙️法。

    參考文獻(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，林宗虎(hǔ)，王樹衆.氣液兩(liǎng)相流體渦街中(zhōng)旋渦結構的特(te)‼️性研究[J].西安交(jiāo)通大學學報，1996，30（2）：36-41.
    [5]李(lǐ)永光，林宗虎.氣(qi)液兩相渦街的(de)數值計算[J].力學(xué)與☔實踐，1997，19（3）：14-18.
    [6]李永光(guāng)，林宗虎.氣液兩(liǎng)相渦街穩定性(xing)的研究[J].力學學(xue)報，1998，30（2）：138-144.
    [7]徐科軍，呂迅(xun)宏，陳榮保，等.基(ji)于DSP、具有譜分析(xī)功能的🐉渦街🔴流(liú)量計信号處理(lǐ)系統[J].儀器儀表(biǎo)學報，2001，22（3）：255-264.
    [8]孫宏軍，張(zhang)濤，淩箐.基于松(sōng)弛陷波周期圖(tú)法的渦街流量(liang)計信♈号處理技(ji)術的研究[J].儀器(qì)儀表學報，2004，25（5）：577-581