當流體(tǐ)流過阻擋(dǎng)體時會在(zài)阻擋體的(de)兩側交替(tì)産生旋渦(wō)，這種現象(xiang)稱爲卡門(men)渦街。20世紀(jì)60年代日本(běn)橫河公司(sī)首先利用(yòng)卡門渦💚街(jiē)現象研制(zhì)出渦街流(liu)量計，此後(hòu)渦街流量(liàng)計由于其(qi)諸多優點(diǎn)得以在工(gong)業領域廣(guǎng)泛應用[1]。      

    在(zai)單相流體(ti)介質條件(jian)下對渦街(jie)流量計的(de)研究相對(dui)比💘較成熟(shú)，研究者通(tōng)過試驗的(de)方法得到(dào)了大量有(you)價㊙️值的試(shi)驗結果，并(bìng)應用到渦(wo)街流量計(ji)的開發📱中(zhong)，使得渦街(jie)流量計的(de)🍉測量精♈度(du)、可靠性得(dé)到了很大(da)的提高[2，3]。工(gong)業測量中(zhōng)經常會有(you)這樣的情(qíng)況出現：液(ye)體管道中(zhong)有時會混(hùn)入少量的(de)氣體，被測(ce)流質變成(cheng)了氣液兩(liǎng)相流。由于(yú)氣液兩相(xiàng)流的複雜(zá)性，研究🎯這(zhe)種條件下(xià)渦街流量(liàng)計💁測量特(te)性的文章(zhang)不多。西安(ān)交通大學(xue)的李永✉️光(guang)[4-6]曾經在氣(qì)液兩相流(liú)的豎直管(guǎn)道上，對不(bú)同形狀的(de)📐渦街發生(sheng)體進行了(le)研🏃🏻究，對不(bú)同截面含(han)氣率下渦(wo)街的結構(gòu)以及斯特(tè)勞哈爾數(shù)的變化進(jin)行了大量(liang)的試驗研(yán)究，并給出(chu)了斯特🍓勞(láo)哈爾數随(suí)截面含氣(qì)率而變化(hua)的公式。李(li)永光的❗工(gōng)作主要是(shì)從流體力(lì)學的角度(dù)對氣🤟液兩(liang)相流中渦(wō)街現象的(de)機🚩理進行(hang)了研究，其(qí)給出的試(shì)驗結果涉(she)及到截面(miàn)含氣率的(de)測量[4]。本文(wén)通過💚試驗(yàn)從測量的(de)角度，研究(jiu)了水平管(guǎn)道中含有(you)少量氣體(tǐ)的液體條(tiáo)件下渦街(jie)流量計測(cè)量結果🈲的(de)變化情況(kuang)⭐，并且測🔱量(liàng)結果分别(bié)用譜分析(xi)和脈沖計(ji)數📱兩種測(cè)量⛹🏻‍♀️方式得(dé)到，通過比(bǐ)較發現在(zai)液含氣流(liu)體條件下(xià)譜分析要(yào)明顯優于(yu)脈沖計數(shù)的方式。

    1　試(shi)驗裝置與(yu)試驗方法(fa)

    1.1　試驗裝置(zhì)

    試驗介質(zhì)由已測定(ding)流量的水(shuǐ)和空氣組(zǔ)成，分别送(sòng)入管道混(hun)🙇‍♀️和🈲成氣液(ye)兩相流送(song)入試驗管(guǎn)段。試驗裝(zhuang)🏃‍♀️置如圖1所(suo)示。試驗裝(zhuāng)置由空氣(qi)壓縮機、儲(chu)氣罐、蓄水(shui)🌍罐、分離🏒罐(guan)、流量計、壓(ya)力變送器(qì)、溫度變送(sòng)器、工控機(jī)和各種閥(fa)門組成。

    空(kong)氣壓縮機(ji)将空氣壓(yā)縮後送入(rù)儲氣罐，标(biao)準流量計(jì)1計量氣液(yè)混合前儲(chǔ)氣罐送入(ru)管道的氣(qì)體流量。蓄(xù)水罐距離(li)地面30m，提供(gòng)試驗所需(xu)的液相，其(qi)流量由⛹🏻‍♀️标(biāo)準流量計(jì)2測得。液相(xiàng)和氣相經(jing)混和器混(hun)和後送入(rù)試驗管段(duàn)，zui後流入分(fèn)離罐将㊙️水(shuǐ)和空氣進(jìn)行分離☂️，空(kong)氣由放氣(qi)閥排出，水(shui)由水泵送(song)回蓄水罐(guan)循環使♍用(yòng)。工控機對(duì)所有儀表(biǎo)數據進💰行(hang)采集和顯(xiǎn)示并對㊙️兩(liang)個電動調(diao)節閥進行(háng)控制，調節(jie)氣相和液(ye)相的流量(liàng)👈。

    試驗所用(yòng)的渦街流(liú)量計選擇(ze)了一台應(ying)用zui多的壓(ya)電式渦街(jiē)流量傳感(gǎn)器，其口徑(jing)的直徑D=50mm。将(jiāng)渦街傳感(gǎn)🔞器放置在(zài)水平直管(guan)段上，其上(shàng)下遊直管(guan)段長度分(fen)别爲30D和20D。壓(ya)力變送器(qi)和溫度變(bian)送器分别(bie)放在渦街(jiē)流量傳感(gan)器上遊1D和(hé)下遊10D的位(wei)置，混和器(qi)安裝在渦(wō)♻️街流量計(jì)上遊30D的位(wèi)置。

圖(tú)1 氣液兩相(xiàng)流試驗裝(zhuāng)置

    1.2 試驗方(fāng)法    

    通過流(liú)量計2的測(ce)量和調節(jie)電動閥2，水(shui)的流量取(qu)6、8、10、12m³ /h四個流量(liàng)值。通過電(diàn)動閥1控制(zhì)，流量計1顯(xiǎn)示空氣注(zhù)👈入⛱️量的範(fàn)圍爲0.3～1.8m³ /h，其壓(yā)力範圍爲(wèi)0.4～0.5MPa。

    目前工業(ye)中應用的(de)渦街流量(liàng)計大部分(fen)是脈沖輸(shū)出，即将🚩旋(xuan)㊙️渦信号轉(zhuan)化爲脈沖(chòng)信号，通過(guò)對脈沖信(xin)号計🛀🏻數計(jì)算出旋渦(wō)脫落的頻(pin)率。脈沖輸(shu)出的渦街(jie)☀️流量計主(zhu)要的缺點(dian)是易受噪(zào)聲幹擾，對(dui)于小流量(liàng)來說由于(yú)信号微弱(ruo)難以與噪(zao)聲區别。近(jin)幾年随着(zhe)數字信号(hào)處理技術(shù)的發🚶展，出(chū)現了以🙇‍♀️DSP爲(wei)核心，具有(you)譜分析功(gong)能的渦街(jie)流量計，這(zhe)種方法提(tí)高了對微(wei)弱渦街頻(pin)率信号的(de)識别[7-8]。考慮(lü)到這兩種(zhǒng)不同類型(xing)渦街流量(liàng)計在工業(yè)🈲現場使用(yong)，試驗中同(tóng)✉️時用譜分(fen)析方法和(he)脈沖計數(shu)方法對渦(wō)街頻率進(jìn)行計算，并(bìng)☔對兩種方(fang)法進行了(le)比較。

    渦街(jie)流量計的(de)轉換電路(lu)流程圖如(ru)圖2所示。以(yǐ)5000Hz的頻率對(dui)A點🔆的模拟(ni)信号進行(háng)采樣，每次(cì)采樣10組數(shu)據，每🈲組數(shu)據有5×10⁴ 個采(cai)樣點，将得(de)到的采樣(yang)點進行傅(fù)裏葉變換(huan)得到不同(tóng)測😄量♻️點☔渦(wo)街産生的(de)頻率，同時(shi)通過脈沖(chong)計數的方(fang)法對B點采(cǎi)樣。

圖(tu)2 渦街流量(liàng)計電路框(kuang)圖

    2 渦街流(liu)量計的标(biāo)定

    将渦街(jiē)流量計在(zai)标準水裝(zhuāng)置上，分别(bie)用頻譜分(fèn)析和脈沖(chòng)計數的方(fāng)法進行标(biao)定，流體介(jiè)質爲水未(wèi)加氣體，采(cǎi)用的标準(zhǔn)傳感器爲(wèi)精度等級(ji)爲0.2級的電(dian)磁流量計(jì)。在每個流(liu)量測量點(diǎn)上的儀表(biǎo)系數用公(gong)式🍉（1）計算，然(ran)後📞用式（2）計(jì)算🍉得到zui終(zhong)儀表系數(shu)K。Q_l 爲被測水(shui)的流量值(zhí)，f爲每一個(gè)流量點得(dé)到的頻率(lǜ)💋，k爲每個測(cè)量點得到(dao)的儀表系(xi)數。k_max 、k_min 分别爲(wèi)試驗流量(liàng)範圍内得(dé)到的zui大與(yu)zui小的儀表(biǎo)系數。儀📱表(biǎo)系數的線(xiàn)性度E₁ 用式(shi)（3）來計算。

    譜分析(xi)和脈沖計(jì)數兩種不(bu)同方法計(jì)算出的渦(wo)街流量計(jì)⭐儀表系數(shu)分别爲：Ks=10107p/m³ ；Kc=10143p/m³ ；計(jì)算得到的(de)儀表系數(shù)線性度分(fèn)别爲：1.2%和1.5%。圖(tú)3爲儀表❓系(xi)🈚數随水🏃🏻‍♂️流(liu)量值變化(hua)的曲線，可(ke)以看出，在(zai)試驗所選(xuǎn)流🧑🏾‍🤝‍🧑🏼量範圍(wéi)内，儀表系(xì)數近似于(yu)一個常數(shu)，頻譜分析(xi)的結果與(yǔ)脈沖計數(shu)🏃‍♂️所得到💚的(de)試驗結果(guǒ)差别不大(da)，之間的誤(wu)差範圍爲(wèi)0.109%～0.688%。可見被♌測(cè)介質全部(bu)爲水時兩(liǎng)種測量方(fang)法并沒有(you)明顯的區(qū)别。

圖(tú)3　渦街流量(liàng)計儀表系(xì)數

    3　渦街信(xìn)号分析

    試(shi)驗發現，氣(qi)相的加入(rù)對渦街流(liu)量計測量(liang)的影響顯(xian)著，譜分析(xi)📞和脈沖計(ji)數兩種方(fang)法随着氣(qi)相注入的(de)增加其表(biao)現也不🏃‍♂️同(tóng)。圖🚶‍♀️4反映了(le)水流量12m³ /h時(shi)，注入不同(tóng)氣含率β時(shí)A點的模拟(nǐ)信号，如圖(tú)4（a～c）所示；經㊙️譜(pu)分析後得(dé)到的頻率(lǜ)值，如圖4（d～f）所(suo)示；用脈沖(chòng)計數方法(fa)得到的🔆脈(mò)沖信号，如(ru)圖🏃‍♀️4（g～i）所示。圖(tu)4顯示，當注(zhu)入氣量不(bú)大時，對渦(wo)街流量計(jì)的影響🧡不(bu)大，無論是(shì)譜分析結(jié)果還是脈(mo)沖計數得(de)到的結果(guǒ)都比較好(hǎo)。當注入⛷️的(de)氣量進一(yī)步增加時(shí)，渦👨‍❤️‍👨街原始(shi)信号強度(du)和穩定性(xing)逐漸變差(chà)，渦街頻率(lǜ)信号會被(bei)幹擾信号(hao)所淹沒，反(fǎn)映到譜🚩分(fèn)析圖是，渦(wo)街頻率的(de)譜能量減(jian)小，幹擾⛷️信(xin)🔞号的譜能(neng)量加強；對(duì)于脈沖信(xìn)号，會因爲(wèi)一些旋渦(wō)信号減💁弱(ruò)，形成脈沖(chong)缺失現象(xiàng)，而不能真(zhēn)實地反🏃🏻‍♂️映(yìng)渦街産生(shēng)的頻率。

    表1反映(yìng)了不同流(liu)量點Q_l 下，随(sui)着注氣量(liàng)Qg的增加，渦(wo)街發生頻(pin)率fs和fc的變(bian)化情況。結(jie)🍓果顯🤩示，對(duì)于不同的(de)水流量，當(dāng)注入的氣(qi)體流量增(zeng)加到一定(ding)範圍時，不(bu)能再檢測(cè)到渦街信(xìn)号；在一定(ding)水流量下(xia)，随着注氣(qi)量的增加(jia)譜☂️分析得(de)到的頻率(lü)值會⁉️變大(dà)，這是由于(yú)總的體積(jī)流量增加(jia)了，而脈沖(chòng)計數法則(zé)由于産生(sheng)脈沖缺失(shi)現象所得(dé)到的頻率(lǜ)值減小。因(yin)此在氣液(ye)兩相流下(xia)，譜分析比(bǐ)🔆脈沖😄計數(shu)法有優勢(shi)，它能在較(jiào)高的含氣(qi)量依然能(neng)檢測到旋(xuan)渦脫落的(de)頻率。

圖4 不同注(zhu)氣量時頻(pín)率信号圖(tu)

    4　渦街(jie)流量計的(de)誤差分析(xi)

    将試驗數(shu)據進行處(chu)理，得到了(le)渦街流量(liàng)計測量誤(wu)差🧑🏾‍🤝‍🧑🏼随氣相(xiang)含率變化(huà)的情況，如(rú)圖5所示。其(qi)中δs爲譜分(fen)析方法的(de)🌍測量誤差(chà)，δc爲脈沖計(ji)數方法的(de)測量誤差(cha)。渦街流量(liang)計的測量(liàng)誤差用式(shi)（4）來計算🏒。其(qí)中Qs爲裝置(zhì)中标準表(biǎo)測量出的(de)管道總流(liu)量，Qt爲試驗(yàn)🆚管段中渦(wo)🈲街流量計(ji)的測量值(zhi)。将譜分析(xi)和脈沖計(jì)數得到的(de)頻率值和(he)儀表系數(shù)分别代入(ru)式（5）計算Qt值(zhí)。從圖中可(kě)以看出氣(qì)相含率的(de)增加⛹🏻‍♀️兩種(zhong)測量方法(fa)得到的誤(wù)🌈差并不相(xiàng)同。當含氣(qi)率不高時(shí)，0<β<6%，譜分析法(fa)的平均誤(wu)差爲1.226%，zui大誤(wu)差爲2.687%，脈沖(chòng)計數法的(de)平均誤差(chà)爲1.583%，zui大誤差(cha)🌏爲2.898%，因此譜(pǔ)分析法與(yu)脈沖計數(shu)法的測量(liàng)誤差區别(bié)不大，譜分(fèn)析沒有明(míng)顯的優勢(shì)；在氣相含(hán)率進一步(bu)增加🔞時，6%<β<14%，譜(pu)分析法的(de)平均誤差(chà)爲3.975%，zui大誤差(cha)爲14.058%，脈沖計(jì)數法的平(ping)均誤差爲(wèi)20.053%，zui大誤差爲(wei)33.130%，脈👨‍❤️‍👨沖計數(shu)的方法得(de)到的測量(liàng)誤差遠大(da)于譜分析(xī)方法。

    含氣(qi)液體測量(liàng)誤差産生(sheng)的主要原(yuan)因是：在氣(qi)液兩相🌍流(liu)動中，由于(yu)氣泡對旋(xuan)渦發生體(tǐ)的撞擊作(zuo)用，氣泡對(duì)邊界層和(he)旋渦脫落(luo)的影響，以(yi)及旋渦吸(xi)入氣泡使(shǐ)其強度減(jiǎn)弱，使旋渦(wō)脈沖數缺(quē)失，缺失的(de)旋渦數不(bú)穩定，使脈(mò)沖計數方(fang)法測♊量的(de)誤差增大(da)，而譜❓分析(xi)的方法在(zài)一段時域(yu)内得到主(zhǔ)頻譜作爲(wèi)渦街頻率(lü)值，減小了(le)旋渦缺失(shi)對測量的(de)影響。所以(yi)含氣液體(tǐ)流體㊙️計量(liang)中⁉️譜分析(xī)方法要好(hǎo)于脈沖計(ji)數的方法(fa)。

圖5　不同氣(qi)相含率下(xia)渦街流量(liang)計的測量(liàng)誤差

    5　結束(shù)語

    從試驗(yàn)結果來看(kàn)，渦街流量(liang)計在測量(liang)混有少量(liàng)氣體的液(yè)體流量時(shi)，測量誤差(chà)會顯著增(zēng)加。之所以(yi)會出現🧑🏽‍🤝‍🧑🏻這(zhè)樣的情況(kuang)，一方面📧，氣(qì)體在液體(ti)中會形成(cheng)氣泡，在旋(xuán)渦發生體(tǐ)的後部形(xing)成氣團，并(bing)且旋渦中(zhong)心❄️會出現(xian)一個低壓(yā)區，吸入大(da)量♌質量較(jiào)輕的氣泡(pao)，從而削弱(ruò)了旋渦的(de)能量，使壓(yā)電傳感器(qi)檢測不到(dào)旋渦，導緻(zhì)檢測🔆過程(cheng)中脈沖缺(quē)失☂️現象出(chu)現；另一方(fang)面，由于旋(xuan)渦✔️的能量(liang)降低，會增(zeng)加流場本(ben)身對旋渦(wo)脫落的擾(rao)動，進一步(bu)增加了測(ce)量的誤差(cha)。其它方面(miàn)，旋渦發生(shēng)體後的氣(qì)團，旋💃渦中(zhong)心區氣泡(pào)的含量、旋(xuan)渦外的氣(qì)泡量、氣泡(pao)的大小等(deng)等都會影(ying)響測量的(de)結果。

    通過(guo)上述的試(shì)驗結果及(ji)分析表明(ming)，單相液體(tǐ)中混入少(shǎo)量的💘氣👄體(tǐ)時會導緻(zhì)渦街旋渦(wō)強度變弱(ruo)和可😍靠性(xìng)變差，在這(zhè)種條件下(xia)測量時譜(pǔ)分析的方(fāng)法在氣含(hán)率✍️不大時(shi)（0<β<6%）與脈沖計(jì)數的方法(fǎ)差别不大(da)，但随着氣(qi)含率的進(jin)一步增加(jia)（6%<β<14%），譜分析的(de)方法要好(hǎo)于脈沖計(ji)數的方法(fǎ)。

    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(lin)宗虎，王樹(shù)衆.氣液兩(liǎng)相流體渦(wo)街中旋渦(wo)☁️結構的特(te)性研究[J].西(xi)安交通大(dà)學學報，1996，30（2）：36-41.
    [5]李(li)永光，林宗(zong)虎.氣液兩(liǎng)相渦街的(de)數值計算(suan)[J].力學與實(shí)🤩踐，1997，19（3）：14-18.
    [6]李永光(guāng)，林宗虎.氣(qì)液兩相渦(wō)街穩定性(xìng)的研究[J].力(li)學學報，1998，30（2）：138-144.
    [7]徐(xú)科軍，呂迅(xun)宏，陳榮保(bao)，等.基于DSP、具(ju)有譜分析(xi)功能的渦(wo)街流量計(ji)✔️信号處理(lǐ)系統[J].儀器(qi)儀表學報(bao)，2001，22（3）：255-264.
    [8]孫宏軍，張(zhang)濤，淩箐.基(jī)于松弛陷(xian)波周期圖(tú)法的渦街(jie)流量計信(xìn)号處理技(jì)術的研究(jiu)[J].儀器儀表(biǎo)學報，2004，25（5）：577-581