當流體流(liu)過阻擋體時會在(zai)阻擋體的兩側交(jiāo)替産生旋🥰渦，這種(zhǒng)現象稱爲卡門渦(wō)街。20世紀60年代日本(ben)橫河公司首🌐先利(li)用卡💛門渦街現象(xiang)研制出渦街流量(liàng)計，此後渦街流量(liang)計由于其諸多優(you)點🏃得以在工業❗領(ling)域廣泛應用[1]。      

    在單(dān)相流體介質條件(jiàn)下對渦街流量計(ji)的研究相對比較(jiào)👌成熟🌍，研究者通過(guò)試驗的方法得到(dào)了大量有價值的(de)試驗結果㊙️，并應用(yòng)到渦街流量計的(de)開發中，使得渦街(jiē)流量計的測量精(jing)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(yǒu)這樣的情況出現(xiàn)：液體管道中有時(shí)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(liàng)計測量特性的文(wén)章不多。西🔅安交通(tong)大學的李永光[4-6]曾(céng)經在氣液兩🐅相📱流(liú)的豎直管道上，對(duì)不同形狀的渦街(jiē)發生體進行了研(yán)究，對不同截面含(han)氣率下渦街的結(jié)構以及斯🌐特勞哈(hā)爾數的變化進行(hang)了大量的試驗研(yan)究，并給出了斯特(te)勞哈爾數随截面(miàn)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(qì)液兩相流中渦街(jie)現象的機理進行(háng)了研究，其給出的(de)試驗結👨‍❤️‍👨果涉及到(dao)截面含氣率🧑🏽‍🤝‍🧑🏻的測(ce)量[4]。本文通過試驗(yàn)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(jie)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(shi)得到，通過比較發(fa)現在液含氣流體(tǐ)條件下譜分析💃要(yao)明顯優于脈沖計(jì)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(fèn)别送入管道混和(he)⛷️成氣液兩相流送(song)入試驗管段。試驗(yàn)裝置如圖1所示。試(shì)驗裝💁置由空氣壓(yā)縮機、儲氣罐、蓄水(shui)罐、分離罐、流量計(ji)、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(shi)驗所需的液相，其(qí)流量由标準流量(liang)計2測得。液相和氣(qì)相經混和器混和(hé)後送入試驗管段(duan)，zui後流入分離罐将(jiang)水和空氣進行分(fen)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(liang)個電動調節閥進(jìn)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(qi)，其口徑的直徑D=50mm。将(jiāng)渦街傳感器放置(zhì)在水平直管🔆段上(shang)⛹🏻‍♀️，其上下遊直管段(duàn)長度分别爲30D和🌈20D。壓(yā)力變送器和溫度(du)變送器分别放在(zai)渦街流量傳感器(qi)上遊1D和下遊10D的位(wei)置，混和器安裝在(zài)渦街流量計上遊(you)30D的位置。

圖(tú)1 氣液兩相流試驗(yan)裝置

    1.2 試驗方法    

    通(tōng)過流量計2的測量(liang)和調節電動閥2，水(shui)的流量取6、8、10、12m³ /h四個流(liú)量值。通過電動閥(fá)1控制，流量計1顯示(shì)空氣注♈入量🙇🏻的範(fan)圍爲0.3～1.8m³ /h，其壓力範圍(wei)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(shu)🧡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(wō)脫落的頻率。脈沖(chong)輸出的渦街流量(liàng)計主要的缺點是(shi)易受噪聲幹擾🔅，對(duì)于小流量來說由(you)于信号微弱難以(yi)與噪聲區别。近幾(jǐ)年随着數字信号(hào)處理技術的發🌍展(zhan)，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(dui)微弱渦街頻率信(xin)号的識别📧[7-8]。考慮到(dào)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(shu)方☂️法對渦街頻率(lǜ)進行計算，并對兩(liǎng)種方法進行了比(bǐ)較。

    渦街流量計的(de)轉換電路流程圖(tu)如圖2所示。以5000Hz的頻(pin)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(diǎn)，将得到的采樣點(diǎn)進行傅裏葉變換(huan)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(jie)流量計電路框圖(tu)

    2 渦街流量計的标(biāo)定

    将渦街流量計(ji)在标準水裝置上(shang)，分别用頻譜分析(xi)和脈沖計數的方(fang)法進行标定，流體(tǐ)介質爲水未加🌈氣(qi)體，采用⭕的标準傳(chuan)感器爲精度等級(ji)爲0.2級的電磁流量(liang)計。在每個流量測(ce)量點上的儀表系(xi)數用公式（1）計算，然(rán)後用式（2）計算得到(dào)zui終儀表系數K。Q_l 爲被(bei)測水的流量值，f爲(wèi)每一個流量點得(dé)到的頻率，k爲每個(gè)測量點得到的儀(yí)表系數。k_max 、k_min 分别爲試(shì)驗流量範圍内得(de)到的zui大與zui小的儀(yí)表系🐇數。儀表系數(shù)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(jì)儀表系數分别爲(wei)：Ks=10107p/m³ ；Kc=10143p/m³ ；計算得到的儀表(biǎo)系數線性度分别(bié)爲：1.2%和1.5%。圖3爲儀表🏃🏻‍♂️系(xi)數随水㊙️流🥰量值變(biàn)化的曲線，可以看(kàn)出，在試驗所選流(liú)量範圍内🥰，儀表🍓系(xì)數近似于一個常(chang)數，頻譜分析的結(jie)果與脈沖計數所(suo)得到的試驗結果(guo)差别不🤩大，之間的(de)誤差範圍爲0.109%～0.688%。可見(jiàn)被測介質全部爲(wei)水時⛹🏻‍♀️兩種測量方(fang)法并沒有明顯的(de)區别。

圖3　渦(wō)街流量計儀表系(xì)數

    3　渦街信号分析(xī)

    試驗發現，氣相的(de)加入對渦街流量(liàng)計測量的影響顯(xiǎn)著，譜分析和脈沖(chong)計數兩種方法随(suí)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(xìn)号，如圖4（a～c）所示；經譜(pu)分析後得到的頻(pín)率值，如圖4（d～f）所示；用(yong)脈沖計數方法得(dé)到的脈沖信号，如(rú)圖4（g～i）所示。圖4顯示，當(dang)注入氣量💃不大時(shí)，對渦街流量計的(de)影響不大，無論是(shì)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(yī)步增加時，渦街原(yuán)始信号強度和穩(wěn)定性逐漸變差，渦(wō)街頻率信号會被(bèi)幹擾信号所淹沒(méi)，反映到譜分析圖(tu)是，渦街頻率的譜(pǔ)能量減小，幹擾信(xìn)号的譜能量加強(qiang)；對于脈沖信号，會(huì)因爲一些旋渦信(xìn)号減弱，形成脈沖(chong)缺失現象，而不能(neng)真實地反映渦街(jiē)産生的頻♌率。

    表1反映了不同(tóng)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(shi)，對于不同的水流(liu)量，當注入的氣體(ti)流量增加到一定(ding)範圍時，不能再檢(jiǎn)測到渦街信号；在(zai)💔一定水流量下，随(sui)着注氣量的🌈增加(jia)譜分析得到的頻(pín)率值會🌍變大，這是(shì)🤞由于總的體積流(liú)量增加了，而脈沖(chòng)計數法則由于産(chǎn)生脈沖缺失現象(xiàng)所得到的頻率值(zhí)減小♈。因此在氣液(ye)兩相💃🏻流下，譜分析(xi)比💋脈沖計數法有(you)🌈優勢，它能在較高(gao)的含氣✍️量依然能(neng)檢測💞到☁️旋渦脫落(luo)的頻率。

圖(tu)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(shù)據進行處理，得到(dao)了渦街流量計測(ce)量誤♻️差随氣☎️相含(han)率變化的情況，如(ru)圖5所示。其中δs爲譜(pu)分析方💚法的🙇🏻測量(liang)誤差，δc爲脈沖計數(shù)方法的測量誤差(chà)🧡。渦街流量計的♌測(cè)量誤差用式（4）來計(jì)算。其中Qs爲裝置中(zhong)标準表測量出的(de)管道總流量，Qt爲試(shi)驗管段中渦街流(liú)量計的測量值。将(jiāng)譜分析和脈沖計(jì)數得到的㊙️頻率值(zhi)和儀表系數分别(bié)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(cha)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(bu)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(liang)誤差遠大于譜分(fen)析方法㊙️。

    含氣液體(tǐ)測量誤差産生的(de)主要原因是：在氣(qì)液兩相流動✔️中，由(yóu)👉于氣泡對旋渦發(fa)生體的撞擊作用(yong)，氣泡對🏒邊界層和(hé)旋渦脫落🌐的影響(xiǎng)，以及旋渦吸入氣(qì)👌泡使其強度減✌️弱(ruo)，使旋渦脈沖數缺(que)失，缺失的旋渦數(shù)不穩定，使脈沖計(jì)數方法測量的誤(wù)差增大，而譜分析(xī)的方法在一段時(shí)域内得到主頻譜(pu)作爲渦街頻率值(zhi)，減小了旋渦缺失(shī)對測量的影響。所(suo)以含氣液體流體(ti)🌐計量中譜分析方(fāng)法要好于脈沖計(ji)數的方法。

圖5　不同氣(qi)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(liú)量時，測量誤差會(hui)顯著增加。之所以(yi)會出現這樣的情(qing)況，一❤️方面，氣體在(zai)液體中會形成氣(qì)泡，在旋渦發生🧑🏽‍🤝‍🧑🏻體(tǐ)的後部形成氣團(tuán)，并且旋渦中心會(huì)出現一個低壓區(qu)，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(jiǎn)測不到旋⛷️渦，導緻(zhi)檢測過程中脈沖(chòng)缺失現象出現；另(ling)一方面，由于旋渦(wo)的能量降低，會增(zeng)加流場本身對旋(xuan)渦脫♍落的擾動，進(jìn)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(wō)💜外的氣泡量、氣泡(pào)的大小等等都會(huì)影響測量的結果(guǒ)。

    通過上述的試驗(yan)結果及分析表明(ming)，單相液體中混入(rù)少量的氣體時會(hui)導緻渦街旋渦強(qiang)度變弱和可♉靠性(xing)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(ji)數的方法差🥰别不(bú)大，但随着氣含率(lü)的進一步增加（6%<β<14%），譜(pu)分析的方法✂️要好(hao)于脈沖計數的方(fāng)法。

    參考文獻：

    [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(yong)光，林宗虎，王樹衆(zhong).氣液兩相流體渦(wo)街中旋渦結構的(de)👉特性🏃‍♀️研究[J].西安交(jiao)通大學學報，1996，30（2）：36-41.
    [5]李永(yong)光，林宗虎.氣液兩(liang)相渦街的數值計(ji)算[J].力學與實踐👌，1997，19（3）：14-18.
    [6]李(lǐ)永光，林宗虎.氣液(yè)兩相渦街穩定性(xing)的研究[J].力學學報(bao)，1998，30（2）：138-144.
    [7]徐科軍，呂迅宏，陳(chén)榮保，等.基于DSP、具有(you)譜分析功能的渦(wo)街流量計信号處(chù)理系統[J].儀器儀表(biao)學報，2001，22（3）：255-264.
    [8]孫宏軍，張濤(tāo)，淩箐.基于松弛陷(xiàn)波周期圖法的渦(wō)街流量計信号處(chu)理技術的研究[J].儀(yí)器儀表學報，2004，25（5）：577-581