當(dang)流體流(liu)過阻擋(dang)體時會(huì)在阻擋(dǎng)體的兩(liǎng)側交替(tì)産生☂️旋(xuán)渦，這種(zhǒng)現象稱(cheng)爲卡門(men)渦街。20世(shì)紀60年代(dai)日本橫(heng)💜河公司(sī)首先利(lì)🏃🏻‍♂️用卡門(mén)渦街現(xian)象研制(zhi)出渦街(jiē)流量計(jì)，此後渦(wo)街流量(liang)計由于(yú)其諸多(duō)優點得(de)以在工(gong)業領域(yù)廣泛應(yīng)用[1]。      

    在單(dān)相流體(ti)介質條(tiao)件下對(dui)渦街流(liú)量計的(de)研究相(xiang)對比較(jiào)成熟❓，研(yan)究者通(tōng)過試驗(yan)的方法(fǎ)得到了(le)大量🔴有(yǒu)價值的(de)🛀🏻試驗結(jie)果，并應(yīng)用到渦(wo)街流量(liàng)計的開(kai)發中，使(shǐ)得👣渦街(jie)流🧡量計(ji)的測量(liang)精🔞度、可(ke)靠性得(de)到了很(hěn)大的提(ti)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(dào)中❗有時(shí)會混入(rù)少量的(de)氣體，被(bei)測流質(zhì)變成了(le)氣液兩(liang)🆚相🔞流。由(you)于氣液(ye)兩👌相流(liu)的複雜(zá)性，研究(jiu)這種條(tiáo)件🥵下渦(wō)街⛷️流量(liàng)計測量(liàng)特性的(de)文章不(bu)多。西安(an)交通大(dà)學的李(lǐ)永🐉光[4-6]曾(céng)經在氣(qì)液兩😄相(xiàng)流的豎(shu)直管道(dào)上，對👉不(bú)同形狀(zhuang)的渦街(jie)發生體(tǐ)進行了(le)研究，對(dui)不同截(jié)面含氣(qì)率下渦(wō)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(hán)氣率而(er)變化的(de)公式。李(li)永光的(de)❗工作主(zhǔ)要是從(cong)流體力(li)學的角(jiao)度對氣(qì)液兩相(xiang)流中渦(wō)街現象(xiàng)的機理(lǐ)進行了(le)研究，其(qi)給出的(de)試驗結(jie)果涉及(ji)到截面(miàn)含氣率(lü)的測量(liang)[4]。本🐪文通(tong)過試驗(yan)從測量(liang)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(wō)街流量(liang)計測量(liang)結果的(de)變化情(qíng)況，并且(qiě)測量結(jie)果分别(bié)用譜分(fèn)析和脈(mò)沖計數(shù)兩種測(cè)量方式(shi)得到，通(tōng)過比較(jiào)發現在(zai)液含氣(qì)流體條(tiáo)件下譜(pǔ)分析要(yào)明顯優(you)于脈沖(chòng)計數的(de)方式。

    1　試(shi)驗裝置(zhi)與試驗(yàn)方法

    1.1　試(shi)驗裝置(zhi)

    試驗介(jiè)質由已(yǐ)測定流(liu)量的水(shui)和空氣(qì)組成，分(fèn)别送入(rù)管道混(hùn)和成氣(qì)液兩相(xiang)流送入(ru)試驗管(guan)段。試驗(yàn)裝置如(ru)圖1所示(shì)。試驗裝(zhuāng)置由空(kōng)氣壓縮(suō)機、儲氣(qi)罐、蓄水(shui)罐、分離(lí)罐、流量(liang)計、壓力(li)🔴變送器(qì)、溫度變(bian)送器、工(gōng)控機和(hé)各種閥(fá)✏️門組成(chéng)。

    空氣壓(ya)縮機将(jiāng)空氣壓(yā)縮後送(sòng)入儲氣(qì)罐，标準(zhǔn)流量💃🏻計(jì)1計量氣(qì)液混合(he)前儲氣(qì)罐送入(rù)管道的(de)氣體流(liú)量🆚。蓄水(shui)罐距離(lí)地面30m，提(ti)供試驗(yan)所需的(de)液相，其(qi)流量由(you)标準流(liu)量計2測(ce)得。液相(xiàng)和氣相(xiang)🈲經混和(he)器混和(he)後送入(ru)試驗管(guǎn)段，zui後流(liú)入分離(li)罐将水(shuǐ)和空氣(qì)⛹🏻‍♀️進行分(fen)離💔，空氣(qì)由放氣(qì)閥排出(chu)，水由水(shui)泵送回(huí)蓄水罐(guan)循環使(shi)用。工控(kòng)機對所(suǒ)有儀表(biao)數據進(jin)行采集(ji)和顯示(shi)并對兩(liǎng)個電動(dòng)調節閥(fá)進行控(kòng)制，調節(jiē)氣相和(he)液相的(de)流😄量。

    試(shì)驗所用(yong)的渦街(jiē)流量計(ji)選擇了(le)一台應(ying)用zui多的(de)壓電式(shi)渦街流(liu)📞量傳感(gan)器，其口(kou)徑的直(zhí)徑D=50mm。将渦(wō)街傳感(gan)器放🆚置(zhì)在水平(ping)直管☎️段(duàn)上，其上(shàng)下遊直(zhí)管段長(zhang)度分别(bié)爲30D和20D。壓(ya)力變送(song)器和溫(wen)度變送(song)器分别(bié)放在渦(wō)街流量(liàng)傳感器(qì)上遊1D和(he)下遊10D的(de)位置，混(hùn)和器安(an)裝在渦(wo)街流量(liàng)計上🈲遊(you)30D的位置(zhi)。

圖1 氣(qi)液兩相(xiàng)流試驗(yàn)裝置

    1.2 試(shì)驗方法(fa)    

    通過流(liu)量計2的(de)測量和(he)調節電(dian)動閥2，水(shuǐ)的流量(liang)取6、8、10、12m³ /h四個(gè)流量值(zhí)。通過電(diàn)動閥1控(kong)制，流量(liàng)計1顯示(shi)空氣注(zhu)入量的(de)範圍🏃‍♂️爲(wèi)0.3～1.8m³ /h，其壓力(lì)範圍爲(wei)0.4～0.5MPa。

    目前工(gong)業中應(yīng)用的渦(wo)街流量(liàng)計大部(bù)分是脈(mo)沖輸出(chu)，即将旋(xuan)渦信号(hào)轉化爲(wèi)脈沖信(xin)号，通過(guò)對脈沖(chong)信号計(ji)數計🐅算(suàn)出旋渦(wo)脫落📧的(de)頻率。脈(mò)沖輸出(chu)的渦街(jie)🏒流量計(ji)✌️主要的(de)缺點是(shì)易受噪(zao)聲幹擾(rao)，對于小(xiǎo)流量💋來(lái)說由于(yu)信号微(wēi)弱難以(yi)與噪聲(sheng)區别。近(jìn)幾年随(sui)着㊙️數字(zi)信号處(chu)🌈理技術(shu)的發展(zhan)，出現了(le)以DSP爲核(he)心，具有(you)🔞譜分析(xi)功能的(de)渦街流(liú)量計，這(zhe)種方法(fa)提高了(le)對微弱(ruò)渦街頻(pin)🛀🏻率信号(hào)的識别(bié)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻[7-8]。考慮到(dào)這㊙️兩種(zhong)不同類(lèi)型💋渦街(jiē)流量計(ji)在工業(ye)現場使(shǐ)用，試驗(yàn)中同時(shí)用譜分(fen)析方法(fǎ)和脈沖(chong)計數方(fang)法對渦(wo)街頻率(lǜ)進行計(jì)算，并對(dui)兩種方(fang)法進行(háng)了比較(jiào)✏️。

    渦街流(liú)量計的(de)轉換電(diàn)路流程(cheng)圖如圖(tú)2所示。以(yi)5000Hz的頻率(lü)對A點的(de)模拟信(xìn)号進行(hang)采樣，每(mei)次采樣(yang)10組數據(ju)，每組數(shù)據有5×10⁴ 個(ge)采樣點(diǎn)，将得到(dào)的采樣(yang)點進行(hang)傅裏葉(ye)變換得(de)到不🈲同(tóng)👌測量點(dian)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(tú)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(jiang)渦街流(liu)量計在(zài)标準水(shuǐ)裝置上(shàng)，分别用(yòng)頻譜分(fèn)析和脈(mò)沖👨‍❤️‍👨計數(shu)的方法(fa)進行标(biāo)定，流體(ti)介質爲(wèi)水未加(jiā)氣體，采(cǎi)用的标(biao)準傳感(gǎn)器爲精(jīng)度等級(jí)爲0.2級的(de)電磁流(liú)量計。在(zài)每個流(liu)量測量(liàng)點上的(de)儀表系(xi)數用公(gōng)式（1）計算(suàn)，然後用(yòng)式（2）計算(suàn)得到zui終(zhōng)儀表系(xi)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(lǜ)，k爲🌈每個(gè)測量點(dian)得到的(de)儀表系(xi)數。k_max 、k_min 分别(bie)爲試驗(yan)流量範(fan)圍内得(dé)到的zui大(da)與zui小的(de)儀表系(xi)數。儀表(biǎo)系🔅數的(de)線性度(du)E₁ 用式（3）來(lai)計算。

    譜分析(xi)和脈沖(chòng)計數兩(liang)種不同(tóng)方法計(jì)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(yi)表系數(shu)線性度(du)分别爲(wèi)：1.2%和1.5%。圖3爲(wèi)儀表系(xi)數随水(shui)流🥰量值(zhí)變化的(de)曲線，可(kě)以看出(chu)，在試驗(yan)所🚶選流(liu)量範圍(wéi)内🤞，儀表(biǎo)系數近(jìn)似于一(yi)個常數(shu)，頻譜分(fèn)析的結(jié)果與脈(mò)沖計數(shu)所得到(dào)⛹🏻‍♀️的試驗(yàn)結果差(chà)别不大(da)，之間的(de)誤差範(fàn)圍爲0.109%～0.688%。可(kě)見被🐇測(cè)介質全(quán)部爲水(shui)時兩種(zhong)測量方(fāng)法并沒(mei)有明顯(xian)的區别(bié)。

圖3　渦(wō)街流量(liang)計儀表(biǎo)系數

    3　渦(wo)街信号(hào)分析

    試(shi)驗發現(xiàn)，氣相的(de)加入對(duì)渦街流(liú)量計測(cè)量的影(yǐng)響顯🌈著(zhe)，譜分析(xi)和脈沖(chòng)計數兩(liǎng)種方法(fa)随着氣(qi)相注入(rù)的增加(jiā)其表現(xian)也不同(tóng)。圖4反映(yìng)了水流(liú)量12m³ /h時，注(zhu)入不同(tóng)氣含率(lü)β時A點的(de)模拟信(xin)号，如圖(tu)4（a～c）所示；經(jing)❗譜分析(xi)後得到(dào)的頻率(lǜ)值，如圖(tu)4（d～f）所示；用(yong)脈沖計(ji)數方法(fa)得🐕到的(de)脈沖信(xìn)号♉，如圖(tú)🔞4（g～i）所示。圖(tú)4顯示，當(dāng)注入氣(qì)量不大(dà)時，對渦(wō)街流量(liang)計的影(ying)響不大(da)，無論是(shì)譜分析(xi)結果還(hái)是脈沖(chòng)計數得(dé)到的結(jie)果都比(bi)較好。當(dāng)注入📐的(de)氣量進(jìn)一步增(zēng)加時，渦(wō)📱街原始(shi)信号🌈強(qiáng)度和穩(wěn)定性逐(zhu)漸變差(chà)，渦街頻(pín)率信号(hao)會被幹(gàn)擾信号(hào)所淹沒(méi)，反映到(dao)譜分析(xī)圖是，渦(wo)街🐇頻率(lǜ)的譜能(neng)量減小(xiǎo)，幹擾信(xin)号的譜(pu)能量加(jiā)強；對于(yu)脈沖信(xin)号，會因(yin)爲一些(xiē)旋渦信(xin)号減弱(ruo)，形成脈(mo)沖缺失(shī)現✏️象，而(er)不能真(zhēn)實地反(fan)映渦街(jiē)産生的(de)頻率。

    表1反映(yìng)了不同(tóng)流量點(diǎn)Q_l 下，随着(zhe)注氣量(liàng)Qg的增加(jiā)，渦街發(fā)生頻率(lǜ)fs和fc的變(biàn)化情🌍況(kuang)。結果顯(xian)示🏃🏻，對于(yu)不同的(de)水流量(liàng)，當注入(ru)的氣體(tǐ)流量增(zeng)加到一(yi)定範圍(wei)時，不能(neng)再檢測(cè)到渦街(jie)信号；在(zai)一定水(shui)流量下(xià)，随着注(zhu)🤟氣量的(de)增加譜(pǔ)分析得(dé)到的頻(pin)率值會(huì)變大，這(zhè)是由于(yu)總的體(ti)積流量(liang)增加了(le)，而⭕脈沖(chòng)計數法(fǎ)則由于(yu)産生脈(mo)沖缺失(shī)現象所(suǒ)得到的(de)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻頻率值(zhí)減小❄️。因(yīn)此在氣(qì)液兩相(xiang)流下，譜(pu)分析比(bǐ)脈沖計(jì)數法有(you)優勢，它(tā)能在較(jiao)高的含(hán)氣量依(yī)然能檢(jiǎn)測到旋(xuan)渦脫落(luo)的頻率(lü)。

圖4 不(bu)同注氣(qi)量時頻(pín)率信号(hao)圖

    4　渦(wō)街流量(liàng)計的誤(wu)差分析(xī)

    将試驗(yan)數據進(jin)行處理(li)，得到了(le)渦街流(liu)量計測(ce)量誤差(chà)随氣相(xiàng)🏃含率變(biàn)化的情(qing)況，如圖(tu)5所示。其(qí)中δs爲譜(pǔ)分👈析方(fāng)法的測(cè)量誤差(chà)，δc爲脈❤️沖(chòng)計數方(fāng)法的測(ce)量誤差(chà)。渦街流(liu)量計的(de)測量誤(wù)差用式(shì)（4）來計算(suàn)。其中Qs爲(wèi)裝置中(zhong)标準表(biao)測量出(chu)的管道(dào)總流量(liàng)，Qt爲試驗(yan)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(zhi)和儀表(biǎo)系數分(fèn)别代入(rù)式（5）計算(suan)Qt值。從圖(tu)中可以(yǐ)看出氣(qi)相含率(lǜ)的增加(jia)✌️兩種測(ce)量方法(fa)得到的(de)誤差并(bing)不相同(tóng)。當含氣(qi)⚽率不高(gao)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(da)🥵誤差爲(wèi)2.898%，因此譜(pu)分析法(fǎ)與脈沖(chòng)計數法(fa)的測量(liàng)誤差區(qu)别不大(da)，譜分析(xī)沒有明(míng)顯的優(yōu)🌈勢；在氣(qì)相含率(lü)進一步(bù)增加時(shi)，6%<β<14%，譜分析(xī)法的平(ping)均誤差(cha)爲3.975%，zui大誤(wu)差爲14.058%，脈(mo)沖計數(shù)法的平(ping)均誤差(chà)爲20.053%，zui大誤(wù)差爲33.130%，脈(mò)沖計數(shu)🆚的方法(fa)得🌏到的(de)測量誤(wu)差遠大(da)于譜分(fen)析方法(fǎ)。

    含氣液(ye)體測量(liàng)誤差産(chan)生的主(zhu)要原因(yīn)是：在氣(qì)液兩相(xiàng)流動中(zhōng)，由于氣(qì)泡對旋(xuán)渦發生(sheng)體的撞(zhuang)擊作用(yong)，氣泡對(dui)邊界層(ceng)和旋渦(wo)脫落的(de)影響，以(yǐ)及旋渦(wo)吸入氣(qì)泡使其(qí)強度減(jiǎn)弱，使旋(xuan)渦脈沖(chong)🐆數缺失(shī)，缺失的(de)旋渦數(shu)不穩定(dìng)，使脈沖(chong)計🌈數方(fang)法測量(liàng)的誤差(chà)增大，而(ér)譜分析(xi)的方法(fǎ)在一段(duàn)時域内(nèi)得到主(zhu)頻❤️譜作(zuò)爲渦街(jiē)㊙️頻率值(zhí)，減小了(le)旋渦缺(quē)失對測(ce)量的影(yǐng)響。所以(yǐ)含氣液(ye)體流體(ti)計量中(zhōng)譜分析(xi)方法要(yao)好于脈(mò)沖計數(shù)的方法(fa)。

圖(tu)5　不同氣(qì)相含率(lü)下渦街(jie)流量計(jì)的測量(liàng)誤差

    5　結(jie)束語

    從(cong)試驗結(jié)果來看(kan)，渦街流(liú)量計在(zài)測量混(hùn)有少量(liàng)氣👨‍❤️‍👨體的(de)液體流(liu)量時，測(ce)量誤差(cha)會顯著(zhe)增加。之(zhī)所以會(huì)出現這(zhè)樣的情(qíng)況，一方(fang)面✔️，氣體(ti)在液體(tǐ)中會形(xíng)成氣泡(pao)，在旋渦(wo)發生體(ti)的後部(bù)形成氣(qì)團，并且(qie)旋渦中(zhong)心會出(chu)現一🈚個(ge)低壓區(qu)，吸入大(da)量質量(liàng)較輕的(de)氣泡，從(cong)🈲而削弱(ruò)了旋🈲渦(wō)的能量(liang)，使壓電(dian)傳感器(qi)檢測不(bú)到旋渦(wō)，導緻檢(jiǎn)測過程(cheng)中脈沖(chong)缺失現(xiàn)象出現(xian)；另一方(fang)面，由于(yú)旋渦的(de)能量降(jiang)低，會㊙️增(zēng)加流場(chang)本身對(dui)旋渦脫(tuo)落的擾(rao)動，進一(yī)步增加(jiā)了測量(liàng)的誤差(cha)。其它方(fāng)面，旋👄渦(wō)發生體(ti)㊙️後的氣(qì)團，旋渦(wō)中心區(qu)氣泡的(de)含量、旋(xuan)渦♉外的(de)氣泡量(liàng)、氣泡👈的(de)大小等(deng)等都會(huì)影響測(ce)量的結(jie)果。

    通過(guo)上述的(de)試驗結(jie)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(qiang)度變弱(ruo)和可靠(kao)性變差(chà)，在這種(zhǒng)條件下(xià)🛀🏻測量時(shí)譜分析(xi)的方法(fa)在氣含(hán)率不大(dà)時⭐（0<β<6%）與脈(mò)沖計數(shù)的方法(fǎ)差💰别不(bu)大，但随(suí)👣着氣含(hán)率的進(jìn)一步增(zēng)加（6%<β<14%），譜分(fèn)析的方(fāng)法要好(hǎo)于脈沖(chong)計數的(de)方🥰法。

    參(cān)考文獻(xian)：

    [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(guāng)，林宗虎(hu)，王樹衆(zhong).氣液兩(liang)相流體(tǐ)渦街中(zhong)旋渦結(jie)構的特(te)性研究(jiu)[J].西安交(jiao)通大學(xue)學報，1996，30（2）：36-41.
    [5]李(lǐ)永光，林(lin)宗虎.氣(qi)液兩相(xiang)渦街的(de)數值計(ji)算[J].力學(xue)與🐅實☎️踐(jian)😄，1997，19（3）：14-18.
    [6]李永光(guang)，林宗虎(hu).氣液兩(liang)相渦街(jiē)穩定性(xing)的研究(jiu)[J].力學學(xue)報✍️，1998，30（2）：138-144.
    [7]徐科(ke)軍，呂迅(xùn)宏，陳榮(róng)保，等.基(ji)于DSP、具有(yǒu)譜分析(xi)功能的(de)渦街流(liú)量計信(xìn)号處理(lǐ)系統[J].儀(yi)器儀表(biǎo)學報，2001，22（3）：255-264.
    [8]孫(sun)宏軍，張(zhāng)濤，淩箐(qing).基于松(sōng)弛陷波(bo)周期圖(tu)法的渦(wo)街🈲流量(liang)計信号(hào)處理技(jì)術的研(yán)究[J].儀器(qi)儀表學(xué)報，2004，25（5）：577-581