當(dāng)流體流過阻擋(dang)體時會在阻擋(dang)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(zhi)出渦街流量計(ji)，此後渦街流⛹🏻‍♀️量(liang)計由🔞于其諸多(duō)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(duì)渦街流量計的(de)研究相對♌比較(jiào)成熟，研究者通(tōng)過試驗的方法(fǎ)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(ti)高[2，3]。工業測量中(zhong)經常會有這樣(yàng)的情況出現：液(yè)體管道中有時(shí)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(ye)兩相流的複雜(za)性，研究這種條(tiáo)件下渦街流量(liang)計測量特性的(de)文章不多。西安(an)交通大學的李(li)永🎯光[4-6]曾經在氣(qi)液兩相流的豎(shu)直🌐管道上，對不(bú)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(wō)街的結構以及(ji)斯特勞哈爾數(shu)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(li)永光的工作主(zhǔ)要是從流體力(lì)學的角度對氣(qi)液兩相流中渦(wō)街現象的機理(li)進行了研究，其(qi)給出的試驗結(jie)㊙️果涉及到截面(miàn)含氣率的測量(liàng)[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(liàng)計測量結果的(de)變化情況，并且(qie)測量結果分别(bie)用譜分析和脈(mò)沖計數兩種測(ce)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(yao)明顯優于脈沖(chong)計數的方式。

    1　試(shì)驗裝置與試驗(yàn)方法

    1.1　試驗裝置(zhi)

    試驗介質由已(yǐ)測定流量的水(shuǐ)和空氣組成，分(fen)别送入管道混(hun)和成氣液兩相(xiang)流送入試驗管(guan)段。試驗裝🔞置如(rú)圖1所示。試驗裝(zhuāng)置由空氣壓縮(suo)機、儲氣罐、蓄水(shui)罐、分離罐、流量(liang)計、壓力變送器(qì)、溫度變送器、工(gōng)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(he)前儲氣罐送入(ru)管道的氣體流(liu)量。蓄水罐距離(li)地㊙️面30m，提供試驗(yan)所需的液相，其(qí)流量由标準流(liú)量計2測💚得。液相(xiàng)和氣相經混和(hé)💋器混和後送入(rù)試驗管段，zui後流(liu)入分離罐将水(shuǐ)和空氣進行分(fèn)離🈲，空氣由放氣(qì)閥排出，水由水(shui)泵送回蓄水罐(guan)循環使用。工控(kong)機對🍉所有儀表(biǎo)數據進行采集(jí)和顯示并對兩(liǎng)個電動調節閥(fa)進行控👅制，調節(jie)氣相和液相的(de)流量。

    試驗所用(yong)的渦街流量計(jì)選擇了一台應(ying)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(gan)器放✂️置在水平(píng)直管段上，其上(shang)下遊直管段長(zhang)度分别爲30D和20D。壓(yā)力變送器和溫(wēn)度變送器分别(bie)放在渦街流量(liàng)傳感器上遊1D和(hé)下遊10D的位🈲置，混(hùn)和器👈安裝在渦(wo)🙇‍♀️街流量計上🆚遊(yóu)30D的位置。

圖1 氣液兩相(xiang)流試驗裝置

    1.2 試(shi)驗方法    

    通過流(liú)量計2的測量和(he)調節電動閥2，水(shuǐ)的流量取6、8、10、12m³ /h四個(ge)流量值。通過電(dian)動閥1控制，流量(liang)計1顯示空氣注(zhu)🌂入量的範圍🐆爲(wèi)0.3～1.8m³ /h，其壓力範圍爲(wei)0.4～0.5MPa。

    目前工業中應(ying)用的渦街流量(liàng)計大部分是脈(mò)沖輸出，即将旋(xuán)⭐渦信号轉化爲(wèi)脈沖信号，通過(guo)對脈沖信号計(ji)📞數計算出旋渦(wo)脫落✌️的頻率。脈(mò)沖輸出的渦街(jie)流量計主要的(de)缺點是易受噪(zao)聲幹擾⛹🏻‍♀️，對于小(xiao)流量🌂來說由于(yu)信号微弱🍓難以(yi)與噪聲區别。近(jìn)幾年随着數字(zì)信号處理技術(shu)的發展，出現了(le)以DSP爲核心，具有(you)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(pín)率信号✍️的識别(bie)[7-8]。考慮到這㊙️兩種(zhong)不同類型👌渦街(jiē)流量計在工業(yè)🔞現場使用，試驗(yan)中同時用譜分(fèn)析方法和脈沖(chong)計數方法對渦(wo)街頻率進行計(jì)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(yǐ)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(dian)，将得到的采樣(yàng)點進行傅裏葉(ye)變換得到🚶不💁同(tong)測量點渦街産(chan)生的頻率，同時(shí)通過脈沖計數(shu)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(liu)量計的标定

    将(jiāng)渦街流量計在(zai)标準水裝置上(shàng)，分别用頻譜分(fen)析♋和脈沖計數(shù)的方法進行标(biāo)定，流體介質爲(wèi)水未加氣體，采(cǎi)用♈的标💞準傳感(gǎn)器爲精度等級(ji)爲0.2級的電磁🔴流(liu)量計🌂。在每個😘流(liú)量測🧑🏾‍🤝‍🧑🏼量點上的(de)儀表系數用公(gōng)式（1）計算，然後用(yong)式（2）計算得到zui終(zhong)儀表系數K。Q_l 爲被(bei)測水的流量值(zhi)，f爲每一個流量(liang)點得到的頻率(lü)㊙️，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(dé)到的zui大與zui小的(de)儀表系數。儀🌂表(biǎo)系數的線性度(du)E₁ 用式（3）來計算。

    譜分析(xī)和脈沖計數兩(liang)種不同方法計(jì)算出的渦街流(liu)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(wei)：1.2%和1.5%。圖3爲儀表🧑🏽‍🤝‍🧑🏻系(xì)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(shu)，頻譜分🤞析的結(jié)👅果與脈沖計數(shu)所得到的試驗(yan)結果差别不大(dà)，之間的誤差範(fan)圍爲0.109%～0.688%。可見被測(ce)介質全部爲水(shuǐ)時兩種測量方(fang)法并沒有明❤️顯(xiǎn)的區别。

圖3　渦街流量(liang)計儀表系數

    3　渦(wō)街信号分析

    試(shi)驗發現，氣相的(de)加入對渦街流(liu)量計測量的影(yǐng)響顯著🐕，譜分析(xi)和脈沖計數兩(liang)種方法随着氣(qi)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(tong)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(xi)後得🏃‍♀️到的頻率(lǜ)值，如圖4（d～f）所示；用(yòng)脈沖計數方法(fa)得到的脈沖信(xin)号，如圖✊4（g～i）所示。圖(tu)4顯示，當注入氣(qi)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(hai)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(chà)，渦街頻率信号(hào)會被幹擾信号(hao)所淹沒🈲，反映到(dao)譜分析圖是，渦(wo)街頻率的譜能(néng)量減小，幹擾信(xìn)🔞号的譜能量加(jia)強🈲；對于脈沖信(xin)号，會因爲一些(xie)旋🐪渦信号減弱(ruo)，形成脈沖🤟缺失(shi)現象，而不能真(zhēn)實地反映渦街(jiē)産生的頻率。

    表1反映(ying)了不同流量點(dian)Q_l 下，随着注氣量(liang)Qg的增加，渦街發(fā)生頻率fs和fc的變(bian)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(zeng)加到一定範圍(wéi)時，不能再檢測(ce)到渦街信号；在(zai)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(yú)總的體積流量(liàng)增加了，而脈沖(chong)計數法則由于(yú)産生脈沖缺失(shi)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(yǒu)優勢，它能在較(jiao)高的含氣量依(yī)然能檢測到旋(xuán)渦脫落的頻率(lü)。

圖4 不(bú)同注氣量時頻(pin)率信号圖

    4　渦街流量(liàng)計的誤差分析(xi)

    将試驗數據進(jin)行處理，得到了(le)渦街流量計測(cè)量誤差随氣相(xiàng)含率變化的情(qing)況，如圖5所示。其(qi)中δs爲譜分析方(fāng)法的測量🚶‍♀️誤差(cha)，δc爲脈🌈沖計數方(fāng)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(wèi)裝置中标準表(biao)⛹🏻‍♀️測量出的💘管道(dào)總流量，Qt爲試驗(yan)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(biǎo)系數分别代入(ru)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(fǎ)得到的誤差并(bing)不相同。當含氣(qì)率不高時，0<β<6%，譜分(fen)析法的平均誤(wu)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(liang)🌂誤差區别不大(dà)，譜分析沒有明(ming)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(cha)爲3.975%，zui大誤差爲14.058%，脈(mò)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(da)🤟于譜分析方法(fa)。

    含氣液體測量(liàng)誤差産生的主(zhu)要原因是：在氣(qì)液兩相流⛹🏻‍♀️動✊中(zhong)，由于氣泡對旋(xuan)渦發生體的撞(zhuàng)擊作用，氣泡對(duì)邊界層和旋渦(wo)脫落的影響，以(yi)及旋渦吸入氣(qì)泡使其強度減(jiǎn)弱，使旋💜渦脈沖(chòng)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(xi)的方法在一段(duàn)時域内得到主(zhǔ)頻譜作爲渦街(jie)頻率值，減小了(le)旋渦缺失對測(ce)量的影響。所以(yǐ)含氣液體流體(ti)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(jie)流量計的測量(liang)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(liang)氣體的液體流(liú)量時，測量誤差(cha)會顯著增加。之(zhi)所以會出現這(zhe)樣的情況，一方(fang)面，氣體在液體(ti)中會形成氣泡(pao)，在旋渦發生體(tǐ)的後部形成氣(qì)團，并且旋渦中(zhong)心⁉️會出現一個(ge)低壓區，吸入大(dà)量質量較輕的(de)氣泡，從而削弱(ruò)了旋渦的能量(liang)，使壓電傳感器(qi)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(duì)旋渦脫落的擾(rao)動，進一步增🔴加(jiā)了測量的誤差(cha)。其它方面，旋🚶‍♀️渦(wō)發生體📱後的氣(qì)團，旋渦中心區(qū)氣泡的含量🌂、旋(xuán)渦🈲外的氣泡量(liàng)、氣泡🛀的大小🔴等(děng)等都會影響測(ce)量的結果。

    通過(guò)上述的試驗結(jie)果及分析表明(ming)，單相液體中混(hun)入少量的氣體(ti)時會導緻渦街(jiē)旋渦強度變弱(ruo)和可靠性變差(chà)，在這🈲種條⭐件下(xià)測量時譜分析(xī)的方法在⛷️氣含(han)率不大時（0<β<6%）與脈(mo)沖計數的方法(fa)差别不大，但随(suí)着氣含率的進(jin)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(xiàn)：

    [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(liang)相流體渦街中(zhong)旋渦🥵結構的特(tè)性研究[J].西安交(jiāo)通大學學報，1996，30（2）：36-41.
    [5]李(li)永光，林宗虎.氣(qì)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(xué)報，1998，30（2）：138-144.
    [7]徐科軍，呂迅(xun)宏，陳榮保，等.基(jī)于DSP、具有譜分析(xī)功能的渦街流(liu)🌈量計信号處理(lǐ)系統[J].儀器儀表(biao)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(tu)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