當流體流(liu)過阻擋體時會在(zai)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(ben)橫河公司首先利(lì)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(yōu)點得以在工業領(lǐng)域廣泛應用[1]。      

    在單(dan)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(yòng)到渦街流量計的(de)開發中，使得渦街(jie)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(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(chéng)了氣液兩相流。由(you)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(wén)章不多。西安交通(tōng)大學的李永光[4-6]曾(ceng)經在氣液兩相流(liu)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(han)氣率下渦街的結(jié)構以及斯特勞哈(ha)爾💃🏻數的變化進行(háng)了大量的試驗研(yan)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(gōng)作主要是從流體(tǐ)力學的角度對氣(qì)液兩相流中渦街(jiē)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(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(guǒ)❓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(fā)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(fen)别送入管道混和(he)成氣液兩相流送(song)入試驗管段。試驗(yan)裝🔞置如圖1所🔞示。試(shì)驗裝👣置由空氣壓(yā)縮機、儲氣罐、蓄水(shuǐ)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(kōng)氣壓縮機将空氣(qi)壓縮後送入儲氣(qi)罐，标準流量🔅計1計(ji)✍️量氣液混合前儲(chu)氣罐送入管道的(de)氣體流量。蓄水罐(guàn)距‼️離地☁️面30m，提供試(shì)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(he)後送入試驗管段(duàn)，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(song)回蓄水罐循環使(shǐ)用。工控機對所有(you)儀表數據進行采(cǎi)集和顯示并對✂️兩(liang)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(tai)應用zui多的壓電式(shi)渦街流♊量傳感器(qì)，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(shàng)，其上下遊直管段(duàn)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(qi)上遊1D和下遊10D的位(wèi)🏃‍♀️置，混和器安裝在(zài)渦㊙️街流量計上💃遊(you)30D的位置。

圖(tu)1 氣液兩相流試驗(yàn)裝置

    1.2 試驗方法    

    通(tong)過流量計2的測量(liang)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(wei)爲0.4～0.5MPa。

    目前工業中應(ying)用的渦街流量計(ji)大部分是脈沖輸(shu)出，即将旋渦信号(hao)轉化爲脈沖信号(hào)，通過對脈沖信号(hao)計🔅數計算出旋渦(wō)🌈脫落的頻率。脈沖(chong)輸出的渦街流量(liang)計主要的缺點是(shì)易受噪💋聲幹擾，對(duì)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(hao)處理技術的發展(zhan)，出現了以🔞DSP爲核心(xīn)，具有🔞譜分析功能(néng)的渦街流量計，這(zhe)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(dao)這兩種不同類型(xing)渦🈲街流量計在工(gōng)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(ci)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(dian)進行傅裏葉變換(huàn)得到不同🈲測量✊點(dian)渦街産生的頻率(lǜ)，同時通過脈沖計(jì)數的方🐅法對B點采(cai)樣。

圖2 渦街(jiē)流量計電路框圖(tu)

    2 渦街流量計的标(biāo)定

    将渦街流量計(jì)在标準水裝置上(shàng)，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(chuán)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(ce)💃量點上的儀表系(xì)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(bèi)測水的流量值，f爲(wei)每一個流量點得(de)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(shi)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(ji)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(bie)爲：1.2%和1.5%。圖3爲儀表系(xì)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(suǒ)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(jian)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(chòng)計數兩種方法随(sui)着氣相注入的增(zeng)加其表現也不同(tóng)。圖4反映了水流量(liang)12m³ /h時，注入不同氣含(han)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(pin)率值，如圖4（d～f）所示；用(yong)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(dāng)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(shi)脈沖計數得到的(de)結果都比較好。當(dang)注入的氣量進一(yi)步增加時，渦街原(yuán)始信号強度和穩(wěn)定性逐漸變差，渦(wo)街頻率信号會✌️被(bèi)幹擾信号所淹沒(mei)，反映到譜⛷️分析圖(tú)是，渦街頻率的譜(pǔ)能量減小，幹擾信(xin)💋号的譜能量加強(qiáng)；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(tong)流量點Q_l 下，随着注(zhu)氣量Qg的增加，渦街(jie)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(liú)量，當注入的氣體(tǐ)流🎯量增加到一定(dìng)範圍❤️時，不能再檢(jian)測到渦街信号；在(zài)一定水流量下，随(suí)着注📧氣量的增加(jia)譜分析得到的頻(pin)率值會變大，這是(shi)由于總的體積流(liu)量💛增加了，而脈沖(chòng)計數法則由于産(chan)生脈沖缺失現象(xiang)所得到的頻率值(zhí)減小。因🎯此在氣液(yè)兩相流下，譜分析(xi)比脈沖計數法有(yǒu)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(shu)據進行處理，得到(dào)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(pǔ)分析方法的測量(liàng)誤差☔，δc爲脈沖計數(shù)方法的測量誤差(cha)。渦街流量計的🔆測(ce)量誤差用式🌈（4）來計(jì)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(shì)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(tóng)。當含氣率不高時(shi)，0<β<6%，譜分析法的平均(jun)誤差爲1.226%，zui大誤差爲(wei)2.687%，脈沖計數法的❓平(píng)均誤差爲1.583%，zui大誤差(chà)爲2.898%，因此譜分析法(fǎ)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(xiang)含率進一步增加(jia)🏃🏻時，6%<β<14%，譜分析法的平(píng)均誤差爲3.975%，zui大誤差(chà)爲14.058%，脈沖計數法的(de)平均誤差爲20.053%，zui大誤(wù)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(tǐ)測量誤差産生的(de)主要原因是：在氣(qi)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(xiang)，以及旋渦吸入氣(qì)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(shi)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(suǒ)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(jié)果來看，渦街流量(liang)計在測量混有少(shao)量氣👈體的液體流(liu)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(zài)液體中會形成氣(qi)泡，在旋渦發生🏃🏻體(tǐ)的後部形成氣團(tuán)，并且旋渦中心會(hui)出現一個低壓區(qu)，吸入大量質量較(jiào)輕的氣泡，從☎️而削(xuē)弱了旋渦的能量(liang)，使壓電傳感器檢(jian)測不到旋渦，導緻(zhi)檢測過程中脈沖(chong)缺失現象出現；另(lìng)一方面🈲，由于旋渦(wō)的能量降低，會增(zēng)加流場本身對旋(xuan)渦脫落的擾動，進(jin)一步增加了測量(liàng)的誤差。其它方面(mian)，旋渦發生體後的(de)氣團，旋渦中心區(qū)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(yàn)結果及分析表明(míng)，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(xī)的方法在氣含率(lü)不大時（0<β<6%）與脈沖計(jì)數的方法差别不(bu)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(fang)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(zhōng).氣液兩相流體渦(wō)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(liǎng)相渦街的數值計(ji)算[J].力學與🍓實踐，1997，19（3）：14-18.
    [6]李(li)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(chu)理系統[J].儀器儀表(biǎo)學報，2001，22（3）：255-264.
    [8]孫宏軍，張濤(tao)，淩箐.基于松弛陷(xian)波周期圖法的渦(wo)街⚽流量計信号處(chu)理技術的研究[J].儀(yi)器儀表學報，2004，25（5）：577-581