當(dāng)流體流(liú)過阻擋(dǎng)體時會(hui)在阻擋(dǎng)體的兩(liang)側交替(tì)産生✍️旋(xuán)⁉️渦，這🌏種(zhong)現象稱(cheng)爲卡門(mén)渦街。20世(shi)紀60年代(dai)日本橫(héng)河公🤞司(sī)首先利(lì)用卡門(mén)渦街現(xiàn)象研制(zhì)出渦街(jie)流量計(ji)，此後渦(wo)街流量(liang)計由于(yu)其諸多(duō)優點得(dé)以在工(gong)業領域(yù)廣泛應(ying)用[1]。      

    在單(dan)相流體(tǐ)介質條(tiao)件下對(duì)渦街流(liú)量計的(de)研究相(xiàng)對比較(jiao)🔅成熟，研(yán)究者通(tong)過試驗(yan)的方法(fa)得到了(le)大量有(yǒu)價值的(de)📞試驗結(jié)果，并應(yīng)🐇用到渦(wō)街流量(liàng)計的開(kāi)發中，使(shi)得渦街(jie)流量計(jì)的測量(liang)精度、可(kě)靠性得(de)到了很(hěn)大的提(tí)高[2，3]。工業(yè)測量中(zhōng)經常會(huì)有這樣(yàng)的🌍情況(kuang)出現💔：液(ye)體管道(dao)中有時(shi)會混入(ru)少量的(de)氣體，被(bèi)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(za)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(bú)多。西🐅安(ān)交通大(dà)學的李(li)永🈲光[4-6]曾(céng)經在氣(qi)液兩相(xiang)流的豎(shù)直管道(dao)上，對不(bu)同形狀(zhuang)的渦街(jiē)發生體(ti)進行了(le)研究，對(duì)♋不同截(jie)面含氣(qi)率下渦(wo)街的結(jie)構以及(ji)斯特勞(lao)哈爾數(shu)的變化(huà)進行了(le)大量的(de)試驗研(yan)究，并給(gěi)出了斯(sī)特♍勞哈(hā)爾數随(suí)截面含(han)氣率而(ér)變化㊙️的(de)公式。李(li)永光的(de)✂️工作主(zhu)要是從(cóng)流體力(li)學的角(jiǎo)度對氣(qi)液兩相(xiàng)流中渦(wo)街現象(xiang)的機✉️理(lǐ)進行了(le)研究，其(qí)給出的(de)試驗結(jié)果涉及(ji)到截面(miàn)含氣率(lü)的測量(liàng)[4]。本文通(tōng)過試驗(yan)從測量(liàng)的角度(dù)，研究了(le)水平管(guan)道中含(hán)有少量(liang)氣體的(de)液體🚶條(tiáo)件下渦(wo)街流量(liàng)計測量(liang)結果的(de)變化情(qing)況，并且(qiě)測量結(jie)果分别(bie)用譜分(fèn)析和脈(mo)沖計數(shu)⛷️兩種測(ce)量方式(shì)得到，通(tong)過比較(jiào)發現在(zai)液含氣(qì)流體條(tiáo)件下譜(pǔ)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(yan)方法

    1.1　試(shi)驗裝置(zhi)

    試驗介(jiè)質由已(yi)測定流(liu)量的水(shuǐ)和空氣(qi)組成，分(fèn)别送入(ru)管道混(hùn)和成氣(qi)液兩相(xiang)流送入(rù)試驗管(guan)段。試驗(yàn)裝置如(ru)圖1所示(shi)。試驗裝(zhuang)置由空(kong)氣壓縮(suo)機、儲氣(qì)罐、蓄水(shui)罐、分離(lí)罐、流量(liàng)計、壓力(li)🐇變送器(qi)、溫度變(biàn)送器、工(gōng)控機💰和(hé)各種閥(fa)門組成(cheng)。

    空氣壓(ya)縮機将(jiāng)空氣壓(ya)縮後送(song)入儲氣(qì)罐，标準(zhǔn)流量計(jì)1計量氣(qi)液混合(hé)前儲氣(qì)罐送入(rù)管道的(de)氣體流(liu)量。蓄水(shui)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(cè)得。液相(xiàng)和氣相(xiàng)經混和(he)器混和(he)後送入(ru)試驗管(guan)段，zui後流(liu)入分離(li)罐将水(shuǐ)和空氣(qi)進行分(fèn)離，空氣(qi)由放氣(qì)閥排出(chū)，水由水(shuǐ)泵送回(hui)蓄😄水罐(guàn)循環使(shǐ)✍️用。工控(kong)機對👄所(suo)有儀表(biao)數據進(jin)行采集(ji)和顯示(shi)💘并對兩(liang)個電動(dong)調節閥(fa)進行控(kòng)制，調節(jiē)氣相和(hé)液相的(de)流量。

    試(shi)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(shi)渦街流(liu)量傳感(gǎn)器，其口(kǒu)徑的直(zhí)徑D=50mm。将渦(wo)街傳感(gan)器放置(zhì)在水平(píng)直管段(duan)上，其上(shang)下遊直(zhí)管段長(zhǎng)度分别(bie)爲30D和20D。壓(yā)力變送(song)器和溫(wēn)度變送(song)器分别(bie)放在渦(wo)街流量(liang)傳感器(qì)上遊1D和(he)下遊10D的(de)位置，混(hùn)和器安(ān)裝在渦(wō)👌街流量(liang)計上遊(you)30D的位置(zhi)。

圖1 氣(qì)液兩相(xiàng)流試驗(yàn)裝置

    1.2 試(shi)驗方法(fa)    

    通過流(liú)量計2的(de)測量和(hé)調節電(diàn)動閥2，水(shuǐ)的流量(liang)取6、8、10、12m³ /h四個(ge)流量值(zhí)。通過電(dian)動閥1控(kòng)制，流量(liàng)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(wèi)0.4～0.5MPa。

    目前工(gōng)業中應(ying)用的渦(wo)街流量(liang)計大部(bu)分是脈(mò)沖輸出(chu)，即将旋(xuan)渦信号(hao)轉化爲(wei)脈沖信(xìn)号，通過(guo)對脈沖(chong)信号計(jì)✏️數計算(suàn)出旋渦(wō)💔脫落的(de)頻率。脈(mo)沖輸出(chu)的渦街(jiē)流量計(jì)主要的(de)缺點是(shi)易受噪(zao)聲幹擾(rǎo)，對于小(xiao)流量來(lai)說由于(yú)信号微(wei)弱難以(yi)與噪聲(shēng)區别。近(jìn)🍓幾年随(sui)着數字(zi)信号處(chu)♈理技術(shù)的發展(zhǎn)，出現了(le)以DSP爲核(hé)心，具有(yǒu)譜分析(xī)功能的(de)渦街流(liú)量計，這(zhè)種方法(fa)提高了(le)對微弱(ruò)渦街頻(pin)率信号(hào)的識别(bie)[7-8]。考慮到(dào)這兩種(zhong)不同類(lei)型渦街(jie)流量計(ji)在工業(yè)☂️現場使(shǐ)用，試驗(yan)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(lǜ)進行計(ji)算，并對(duì)兩種方(fang)法進行(háng)💋了比較(jiào)。

    渦街流(liu)量計的(de)轉換電(dian)路流程(cheng)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(yang)10組數據(ju)，每組數(shu)據有❓5×10⁴ 個(gè)采樣點(diǎn)，将得到(dào)的采樣(yàng)點進行(háng)傅裏葉(yè)變換得(dé)到不同(tóng)測😘量㊙️點(diǎn)渦街産(chǎn)生的頻(pin)率，同時(shí)通過脈(mò)沖計數(shù)的方🐉法(fǎ)對B點采(cǎi)👄樣。

圖(tu)2 渦街流(liú)量計電(dian)路框圖(tú)

    2 渦街流(liú)量計的(de)标定

    将(jiāng)渦街流(liu)量計在(zài)标準水(shuǐ)裝置上(shang)，分别用(yòng)頻譜分(fèn)析和脈(mò)沖計數(shù)的方法(fa)進行标(biāo)定，流體(ti)介質爲(wei)水未加(jia)氣體，采(cai)用的标(biāo)準傳感(gan)器爲精(jing)度等級(ji)爲0.2級的(de)電磁流(liu)量計。在(zài)每個流(liú)量測♻️量(liang)點上的(de)儀表系(xi)數用公(gong)式（1）計算(suàn)，然後用(yòng)式（2）計算(suàn)得到zui終(zhong)儀表系(xì)數K。Q_l 爲被(bèi)測水的(de)流量值(zhi)，f爲每一(yi)個流量(liàng)點得到(dao)的頻率(lü)🏃🏻‍♂️，k爲💘每個(ge)測量點(dian)得到的(de)儀表系(xi)數。k_max 、k_min 分别(bié)爲試驗(yàn)流量範(fàn)圍内得(dé)到的zui大(dà)與zui小的(de)儀表系(xì)數。儀表(biǎo)系😍數的(de)線性度(dù)E₁ 用式（3）來(lai)計算。

    譜分析(xi)和脈沖(chong)計數兩(liang)種不同(tong)方法計(ji)算出的(de)渦街流(liu)量計儀(yi)表🐇系數(shù)分别爲(wei)：Ks=10107p/m³ ；Kc=10143p/m³ ；計算得(dé)到的儀(yí)表系數(shù)線性度(dù)分别爲(wèi)：1.2%和1.5%。圖3爲(wèi)儀表系(xì)數随水(shui)流量值(zhi)變化的(de)曲線，可(kě)以看出(chū)，在試驗(yan)所選流(liu)🛀🏻量範圍(wei)内，儀表(biao)系數近(jìn)似于一(yī)個常數(shù)，頻譜分(fen)析的結(jie)果與脈(mò)沖計數(shù)✌️所得到(dao)🌈的試驗(yàn)結果差(cha)别不大(dà)，之間的(de)誤差範(fan)圍爲0.109%～0.688%。可(ke)見被測(cè)介質全(quán)部爲水(shuǐ)時兩種(zhong)測量方(fang)法并沒(mei)有明顯(xian)的區别(bié)。

圖3　渦(wo)街流量(liang)計儀表(biǎo)系數

    3　渦(wo)街信号(hao)分析

    試(shì)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(chòng)計數兩(liǎng)種方法(fa)随着氣(qi)相注入(rù)的增加(jia)其表現(xiàn)也不🌈同(tóng)。圖4反映(ying)了水流(liú)量12m³ /h時，注(zhu)入不同(tóng)氣含率(lǜ)β時A點的(de)模拟信(xin)号，如圖(tú)4（a～c）所示；經(jing)譜分析(xī)後得到(dao)的頻率(lǜ)值，如圖(tu)4（d～f）所示；用(yòng)脈沖計(ji)數方法(fǎ)得到的(de)脈沖❄️信(xìn)号，如圖(tu)⭕4（g～i）所示。圖(tu)4顯示，當(dang)注入氣(qì)量不大(da)時，對渦(wo)街流量(liang)計的影(yǐng)響👌不大(da)，無論是(shì)譜分析(xī)結果還(hái)是脈沖(chòng)計數得(de)到的結(jie)果都比(bǐ)較好。當(dang)注入的(de)氣量進(jin)一步增(zeng)加時，渦(wō)街原始(shǐ)信号強(qiang)度和穩(wěn)定性逐(zhu)漸變差(chà)💛，渦街頻(pin)率信号(hao)會被幹(gan)擾信号(hào)所淹沒(méi)，反映到(dào)譜分析(xi)圖是，渦(wō)街頻率(lü)的譜能(néng)量減小(xiǎo)，幹擾信(xin)号的譜(pǔ)能量加(jiā)強；對于(yú)脈沖信(xin)号，會🈲因(yin)爲一些(xiē)旋渦信(xin)号減弱(ruò)，形成脈(mò)沖♌缺失(shi)現象，而(er)不能真(zhēn)實地反(fǎn)映渦街(jiē)産生的(de)頻率。

    表1反映(yìng)了不同(tóng)流量點(dian)Q_l 下，随着(zhe)注氣量(liang)Qg的增加(jia)，渦街發(fa)生頻率(lü)fs和fc的變(bian)化情㊙️況(kuang)。結果顯(xiǎn)示，對于(yu)不同的(de)水流量(liang)，當注入(ru)的氣體(tǐ)流量增(zēng)⭐加到👈一(yī)定範圍(wéi)🆚時，不能(neng)再檢測(ce)到渦街(jiē)信号；在(zai)🏃🏻‍♂️一定水(shui)流量下(xia)，随着注(zhù)💋氣量的(de)增加譜(pu)分析得(dé)到的頻(pin)率值會(huì)變大，這(zhè)是由于(yú)總的☔體(tǐ)積流量(liàng)增加了(le)，而㊙️脈沖(chong)計數法(fa)則由于(yu)産生脈(mò)沖缺失(shī)現象所(suǒ)得到的(de)頻率值(zhi)減小。因(yin)此在氣(qi)液兩相(xiang)流下，譜(pu)分析比(bi)脈沖計(ji)數法有(yǒu)優勢，它(tā)能在較(jiao)高的含(han)氣✂️量依(yī)然能檢(jiǎn)測到🐇旋(xuán)渦脫落(luo)的頻率(lǜ)🔞。

圖4 不(bu)同注氣(qi)量時頻(pín)率信号(hao)圖

    4　渦(wō)街流量(liang)計的誤(wu)差分析(xi)

    将試驗(yan)數據進(jin)行處理(li)，得到了(le)渦街流(liú)量計測(ce)量誤✨差(cha)随氣相(xiàng)含率變(biàn)化的情(qíng)況，如圖(tú)5所示。其(qí)中δs爲譜(pǔ)分析方(fang)法的🔞測(cè)量誤差(chà)🏒，δc爲脈沖(chong)計數方(fang)法的測(ce)量誤差(cha)。渦街流(liú)量計的(de)🌈測量誤(wù)差用式(shì)（4）來計算(suàn)。其中Qs爲(wei)裝置中(zhong)标準表(biǎo)測量出(chu)的管道(dào)總流量(liang)，Qt爲試驗(yàn)管段中(zhong)渦🤟街流(liu)量計的(de)測量值(zhi)。将譜分(fèn)析和脈(mò)沖計數(shù)得到的(de)👨‍❤️‍👨頻率值(zhí)和儀表(biao)系數分(fen)别代入(rù)👄式（5）計算(suàn)Qt值。從圖(tú)中可以(yi)看出氣(qi)相含率(lǜ)的增加(jia)兩種測(cè)量方法(fa)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(wu)差爲1.226%，zui大(da)誤差爲(wèi)2.687%，脈沖計(jì)數法的(de)平均誤(wù)差爲1.583%，zui大(dà)誤差爲(wèi)2.898%，因此譜(pu)分析法(fa)㊙️與脈沖(chong)計數法(fa)的測量(liàng)誤差區(qu)别不大(da)，譜分析(xi)沒有明(míng)顯的優(yōu)勢；在氣(qì)相含率(lǜ)進一步(bù)增加時(shí)，6%<β<14%，譜分析(xi)法的平(ping)均誤差(cha)爲3.975%，zui大誤(wù)差爲14.058%，脈(mò)沖計數(shù)法的平(píng)均誤差(cha)爲20.053%，zui大誤(wu)差爲33.130%，脈(mo)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(fǎ)。

    含氣液(yè)體測量(liàng)誤差産(chan)生的主(zhǔ)要原因(yīn)是：在氣(qì)液兩相(xiang)流動中(zhong)，由💋于氣(qì)泡對旋(xuán)渦發生(sheng)體的撞(zhuàng)擊作用(yong)，氣泡對(dui)邊界層(ceng)和旋渦(wō)脫落🔱的(de)影響，以(yi)及旋渦(wo)吸入氣(qi)泡使其(qi)📞強度減(jiǎn)弱，使旋(xuán)渦脈沖(chòng)數缺失(shi)💞，缺失的(de)旋渦數(shù)不穩定(ding)，使脈沖(chong)計數方(fang)法測🐅量(liang)的誤差(cha)增大，而(ér)譜分析(xī)的方法(fǎ)在一段(duàn)時域内(nei)得到主(zhǔ)頻譜作(zuò)爲渦街(jiē)頻率值(zhi)，減小了(le)旋渦缺(quē)失對測(cè)量的影(ying)響。所以(yi)♉含氣液(ye)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(fǎ)。

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

    5　結(jié)束語

    從(cong)試驗結(jie)果來看(kan)，渦街流(liu)量計在(zai)測量混(hùn)有少量(liang)氣💘體的(de)液🔆體🈲流(liú)🙇‍♀️量時，測(cè)量誤差(chà)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(ti)中會形(xíng)成氣泡(pào)，在旋渦(wo)發生體(tǐ)的後部(bù)形成氣(qì)團，并且(qie)旋渦中(zhōng)心會出(chū)現一個(ge)低壓區(qū)，吸入大(da)量🏃🏻‍♂️質量(liàng)較輕🍉的(de)氣泡，從(cóng)而削弱(ruò)了旋渦(wo)的能量(liang)，使壓電(dian)傳感器(qi)檢測不(bu)到旋渦(wo)，導緻檢(jian)測過程(cheng)中脈沖(chong)缺失🏃🏻‍♂️現(xiàn)象出現(xian)；另一方(fāng)面，由于(yú)旋渦的(de)能量降(jiang)低，會增(zēng)加流場(chang)本身對(duì)旋渦脫(tuō)落的擾(rǎo)動，進一(yī)步增🥵加(jia)了測量(liang)的誤差(chà)🌂。其它方(fāng)面，旋渦(wo)發生體(tǐ)後的氣(qì)團，旋♋渦(wō)中心區(qu)氣泡的(de)含量、旋(xuán)渦外的(de)氣泡量(liàng)、氣泡的(de)大小等(děng)等都會(huì)影響測(ce)量的結(jié)💞果。

    通過(guò)上述的(de)試驗結(jié)果及分(fen)析表明(míng)，單相液(yè)體中混(hùn)入少量(liang)的⭐氣體(ti)時會導(dǎo)緻渦街(jiē)旋渦強(qiáng)度變弱(ruò)和可靠(kào)性變差(cha)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻，在這種(zhǒng)條件下(xià)測量時(shí)譜分析(xi)的方法(fǎ)在🈲氣含(hán)率不大(dà)時（0<β<6%）與脈(mo)沖計數(shu)的方法(fǎ)差别不(bú)大，但随(sui)着氣含(han)率的進(jìn)一步增(zēng)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。

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