當流體流(liu)過阻擋體時會在(zài)阻擋體的兩側交(jiao)替産生旋渦，這種(zhǒng)現象稱爲卡門渦(wo)街。20世紀60年代日本(běn)橫河公司首先利(li)用卡🏒門渦街現象(xiang)研制出渦街流量(liang)計，此後渦街流量(liàng)計由于其諸多優(you)點得以在工業領(lǐng)域廣泛📧應用[1]。      

    在單(dān)相流體介質條件(jian)下對渦街流量計(jì)的研究相對比較(jiao)成熟，研究者通過(guo)試驗的方法得到(dao)了大量🍉有價值的(de)試驗💃結果，并應用(yong)到渦街流量計的(de)開發中，使得渦街(jiē)流量計的測量精(jīng)度、可靠性得到了(le)很大的提高[2，3]。工業(ye)測量中經常會有(you)這樣的情況出現(xiàn)：液體管道中有時(shi)會混入🚶‍♀️少量的氣(qi)體，被測流質變成(cheng)了氣液兩相流。由(yóu)于氣液兩相流的(de)複雜性，研究🐇這種(zhong)條件下渦街♈流量(liang)計測量特性的文(wen)章不多。西安交通(tong)大學的李永光[4-6]曾(ceng)經在氣液兩相流(liú)的豎直管道上，對(dui)不同形狀的渦街(jiē)發生體進行了研(yán)究，對🏃🏻不同截面含(hán)氣率下渦街的結(jie)構以及斯特勞哈(ha)爾🍓數的變化進行(hang)了大量的🤩試驗研(yán)究，并給出了斯特(te)💃🏻勞哈爾數随截面(mian)含氣率而變化的(de)公式。李永光的工(gong)作主要是從流體(ti)力學的角度對氣(qi)液兩相流中🈲渦街(jie)現象的機理進行(hang)了研究，其給出的(de)試驗結果涉及到(dao)截面含氣率的測(cè)量[4]。本文通過試驗(yan)從測量🌐的角度，研(yán)究了水平管道中(zhōng)含有少量氣體的(de)液體條件下渦街(jiē)🐕流量計測量結果(guo)的變化情況，并且(qiě)測🔅量結果分别用(yòng)譜分析和脈沖計(jì)數兩🧑🏽‍🤝‍🧑🏻種測量方式(shì)得到，通過比較發(fā)現在液含氣流體(tǐ)條件下譜分析要(yào)明顯優于脈沖計(ji)數的方式。

    1　試驗裝(zhuāng)置與試驗方法

    1.1　試(shì)驗裝置

    試驗介質(zhi)由已測定流量的(de)水和空氣組成，分(fen)别送🚩入管道混和(hé)成氣液兩相流送(sòng)入試驗管段。試驗(yàn)裝✂️置如圖1所示。試(shì)♉驗裝🌈置由空氣壓(ya)縮機、儲氣罐、蓄水(shuǐ)罐、分離罐、流量♻️計(jì)、壓力🐆變送器、溫度(du)變送器、工控機和(he)各種閥門組成。

    空(kong)氣壓縮機将空氣(qì)壓縮後送入儲氣(qi)罐，标準流量計1計(ji)量氣液混合前儲(chǔ)氣罐送入管道的(de)氣體流量。蓄水㊙️罐(guan)距離地面30m，提供試(shì)驗所需的液相，其(qi)流量由标準流量(liàng)計2測得。液相和氣(qì)相經混和💰器混和(he)後送👨‍❤️‍👨入試驗管段(duan)，zui後流入分離罐将(jiāng)水和空氣進行分(fèn)離，空氣由放氣閥(fá)排出，水由水泵送(sòng)回蓄水罐循環使(shi)用。工控機對所有(you)儀表數據進行采(cai)集和顯示并對兩(liǎng)個電動調節閥進(jin)行控制，調節氣相(xiàng)和液相的流量。

    試(shì)驗所用的渦街流(liu)量計選擇了一台(tái)應用zui多的壓電式(shì)渦街流量傳感器(qì)，其口徑的直徑D=50mm。将(jiang)渦街傳感器放♌置(zhì)在🔴水平直管段上(shàng)，其上下遊直管段(duan)長度分别爲30D和✂️20D。壓(ya)力變送器和🐇溫度(du)變送器分别放在(zài)渦街流量傳感器(qì)上遊1D和‼️下遊10D的位(wei)置，混和器安裝在(zai)渦❤️街流量計上遊(yóu)30D的位置。

圖(tu)1 氣液兩相流試驗(yan)裝置

    1.2 試驗方法    

    通(tong)過流量計2的測量(liàng)和調節電動閥2，水(shuǐ)的流量取6、8、10、12m³ /h四個流(liú)量值。通過電動閥(fa)1控制，流量計1顯示(shi)空氣注入量💚的範(fan)圍爲0.3～1.8m³ /h，其壓力範圍(wéi)爲0.4～0.5MPa。

    目前工業中應(ying)用的渦街流量計(jì)大部分是脈沖輸(shū)出🏃🏻，即将旋渦信号(hào)轉化爲脈沖信号(hào)，通過對脈沖信号(hào)計數計算出㊙️旋渦(wo)脫落的頻率。脈沖(chòng)輸出的渦街流量(liàng)計主要的👅缺點是(shi)易受噪聲幹擾，對(dui)于小流量來說由(yóu)于信号微弱難以(yǐ)與噪💃聲區别。近幾(jǐ)年随着數字信号(hào)處理技術的發展(zhǎn)，出現了以📞DSP爲核心(xīn)，具有譜分析功能(neng)的渦街流量計，這(zhè)種方法提高了對(duì)微弱渦街頻率信(xìn)号🔞的識别[7-8]。考慮到(dao)這兩種不同類型(xing)💯渦街流量計在工(gong)業現場使用，試驗(yàn)中同🚩時用譜分析(xī)方法和脈沖計數(shù)方法對渦街頻率(lǜ)進行計💘算，并對兩(liang)種方法進行了比(bǐ)較。

    渦街流量計的(de)轉換電路流程圖(tú)如圖2所示。以5000Hz的頻(pín)率🌈對A點㊙️的模拟信(xìn)号進行采樣，每次(cì)采樣10組數據，每組(zu)數據有5×10⁴ 個采樣點(dian)，将得到的采樣點(diǎn)進行傅裏葉變換(huàn)得到不同測量點(diǎn)渦街産生的頻率(lü)，同時通過脈沖計(jì)數的方法對B點采(cǎi)✔️樣。

圖2 渦街(jiē)流量計電路框圖(tu)

    2 渦街流量計的标(biao)定

    将渦街流量計(jì)在标準水裝置上(shang)，分别用頻譜分析(xi)和🌈脈沖計數的方(fāng)法進行标定，流體(tǐ)介質爲水未加氣(qì)體，采用🎯的标準傳(chuan)感器☔爲精度等級(jí)爲0.2級的電磁流量(liàng)計㊙️。在每個流量測(cè)量點上的儀表系(xì)數用公式（1）計算，然(ran)後用式（2）計算得到(dào)zui終儀表系數K。Q_l 爲被(bèi)測水的流量值，f爲(wèi)每一個流量點得(de)到的頻率，k爲🌏每個(ge)測量點得到的儀(yí)表系數。k_max 、k_min 分别爲試(shi)驗流量範圍内得(dé)到的zui大與zui小的儀(yi)表系數👉。儀😘表系數(shu)的線性度E₁ 用式（3）來(lai)計算。

    譜分(fèn)析和脈沖計數兩(liǎng)種不同方法計算(suàn)出的渦街流量計(ji)💁儀表系數分别爲(wei)：Ks=10107p/m³ ；Kc=10143p/m³ ；計算得到的儀表(biao)系數線性度分别(bie)爲：1.2%和1.5%。圖3爲儀表系(xi)數🌂随水流量值變(bian)化的曲線，可以看(kàn)出，在試驗所選流(liú)量範圍内，儀表系(xi)數近似于一個常(cháng)數，頻譜分✂️析的結(jié)果與脈沖計數所(suo)得到🍓的試驗結果(guǒ)差别不大，之間的(de)誤差範圍爲0.109%～0.688%。可見(jian)被測介質全部爲(wèi)水時兩種測量方(fang)法并沒有明顯的(de)區别。

圖3　渦(wo)街流量計儀表系(xì)數

    3　渦街信号分析(xi)

    試驗發現，氣相的(de)加入對渦街流量(liang)計測量的影響顯(xiǎn)著，譜分析和脈沖(chòng)計數兩種方法随(sui)着氣相注入🧡的增(zeng)加其表現也不同(tong)。圖4反映了水流量(liang)12m³ /h時，注入不同氣含(hán)率β時A點的模拟信(xin)号，如圖4（a～c）所示；經譜(pǔ)分析後得到的頻(pín)率值，如圖4（d～f）所示；用(yòng)脈沖計數方😄法得(de)到的脈沖信号，如(ru)圖4（g～i）所示。圖4顯示，當(dang)注入氣量不大時(shi)，對渦街流量計的(de)影響不大，無論是(shi)譜分析結果還是(shì)☁️脈沖計數😄得到的(de)結✔️果都比較好。當(dāng)注入的氣量進一(yi)步增加時，渦街原(yuan)始信号強度和穩(wen)定⁉️性逐漸變差👈，渦(wō)🌐街頻率信号會被(bei)幹擾信号所淹沒(méi)，反映到譜分析圖(tu)是，渦街頻率的譜(pu)能量減小，幹擾信(xìn)💚号的譜能量加強(qiáng)；對于脈沖信号，會(hui)因爲一些旋📧渦信(xìn)号減弱，形成脈沖(chong)缺失現象，而不能(néng)真實地反映渦街(jiē)産生的頻率。

    表1反映了不同(tong)流量點Q_l 下，随着注(zhù)氣量Qg的增加，渦街(jiē)發生頻率fs和fc的變(biàn)化情況。結果顯示(shì)🥵，對于不同的水流(liu)量，當注入的氣體(tǐ)流量增加到一定(ding)😘範圍時，不能再檢(jiǎn)測到渦街信号；在(zài)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻一定水流量下，随(sui)着注氣量的增加(jiā)譜分析得到的頻(pín)率值會變大，這是(shi)🌐由于總的體積流(liú)量增加了，而🔞脈沖(chong)計數法🌂則由于産(chan)生脈沖缺失現象(xiang)所得到的頻率值(zhi)減小。因此在氣液(yè)兩相流下，譜分析(xī)比脈沖計數法有(you)🏒優勢，它能在較高(gāo)的含氣量依然能(néng)檢測到旋渦脫落(luò)的頻率。

圖(tú)4 不同注氣量時頻(pin)率信号圖

    4　渦街流量計的誤(wu)差分析

    将試驗數(shu)據進行處理，得到(dao)了渦街流量計測(cè)量誤差随🈚氣✍️相含(han)❌率變化的情況，如(rú)圖5所示。其中δs爲譜(pǔ)分析方👄法的測量(liang)誤差，δc爲脈㊙️沖計數(shu)方法的測量誤差(cha)。渦街流量計的🐆測(ce)量誤差用式（4）來計(ji)算。其中Qs爲裝置中(zhōng)标準表測量出的(de)管道總流量，Qt爲試(shi)驗管段中渦街流(liu)量計的測量值。将(jiang)譜分析和脈沖計(jì)數得到的頻率值(zhi)和儀💋表系數分别(bie)代入式（5）計算Qt值。從(cóng)圖中可以看出氣(qì)相含率的增加兩(liǎng)種測量方法得到(dào)的誤差并不相同(tong)。當含氣率不高時(shí)，0<β<6%，譜分析法的平均(jun)誤差爲1.226%，zui大誤差爲(wèi)2.687%，脈沖計㊙️數法的㊙️平(ping)均誤差爲1.583%，zui大誤差(chà)☀️爲2.898%，因此譜分析法(fa)與脈沖計數法的(de)測量誤差區别不(bú)大，譜分析沒有明(ming)顯的🙇🏻優勢；在氣相(xiàng)含率進一步增加(jiā)時，6%<β<14%，譜分析法的平(píng)均誤差爲3.975%，zui大誤差(cha)爲14.058%，脈沖計數法的(de)平❌均誤差爲20.053%，zui大誤(wu)差爲33.130%，脈沖計🌈數的(de)方法得‼️到的測量(liàng)誤差🌈遠大于譜分(fèn)析方法。

    含氣液體(ti)測量誤差産生的(de)主要原因是：在氣(qì)液兩相流動中，由(you)于氣泡對旋渦發(fa)生體的撞擊作用(yong)，氣泡對🈲邊界層和(he)旋渦脫落的影響(xiǎng)，以及旋渦吸入氣(qi)泡使其強度減🏃🏻弱(ruo)，使旋渦脈沖數缺(quē)失，缺失的旋渦數(shu)不穩定，使脈沖計(ji)數方法測量的誤(wu)差增大，而譜‼️分析(xi)的方法在一段時(shí)域内得到主頻譜(pu)作爲渦街😘頻率值(zhí)，減小了旋渦缺失(shi)對測⛷️量的影響。所(suo)以含氣液體流體(ti)計量中✍️譜分析方(fang)法要好于脈沖計(jì)數的方法。

圖5　不同氣(qì)相含率下渦街流(liú)量計的測量誤差(chà)

    5　結束語

    從試驗結(jie)果來看，渦街流量(liang)計在測量混有少(shǎo)量氣體的液🏃🏻‍♂️體流(liu)👨‍❤️‍👨量時，測量誤差會(hui)顯著增加。之所以(yǐ)會出現🐉這樣的情(qing)況，一方面，氣體在(zài)液體中會形成氣(qì)泡，在旋渦發生體(ti)的後部形成氣團(tuan)，并且旋渦中心📐會(hui)出現一個低壓區(qū)，吸入大量質量較(jiao)輕的氣泡，從而削(xue)弱了旋🐇渦的能量(liàng)，使壓電傳感器檢(jian)測不到旋渦，導緻(zhi)檢測過程中脈沖(chòng)缺失現象出現；另(lìng)一方面，由于旋渦(wo)的能量👈降低，會增(zeng)加流場本身對旋(xuán)渦脫落的擾動，進(jin)一步增加了測量(liang)的誤差。其它方面(miàn)，旋㊙️渦發生體後的(de)氣團，旋渦中心區(qu)氣泡的含量、旋渦(wo)👄外的氣泡量、氣泡(pao)的大小🚩等等都會(huì)影響測量的結果(guǒ)。

    通過上述的試驗(yàn)結果及分析表明(ming)，單相液體中混入(ru)少量的氣體時會(hui)導緻渦街旋渦強(qiang)度變弱和可靠性(xìng)變差，在這種條件(jiàn)下測量時譜分析(xi)的方法在氣含率(lǜ)不大時♉（0<β<6%）與脈沖計(jì)數的方法差别不(bú)大，但随👅着氣含率(lǜ)的進一步增加（6%<β<14%），譜(pu)分🐉析的方法要好(hǎo)于脈沖計數的方(fang)❄️法。

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