當流體(ti)流過阻擋體(ti)時會在阻擋(dang)體的兩側交(jiao)替産生⭐旋❄️渦(wō)，這種現象稱(chēng)爲卡門渦街(jiē)。20世紀60年代日(rì)本橫河公司(si)首先利用卡(ka)門渦街現象(xiàng)研制出渦街(jie)流量計，此後(hou)渦街流量計(ji)由于其諸多(duō)優點得以在(zài)工業領域廣(guang)泛應用[1]。      

    在單(dan)相流體介質(zhì)條件下對渦(wo)街流量計的(de)研究相對🌂比(bǐ)較成熟，研究(jiū)者通過試驗(yàn)的方法得到(dào)了大量有價(jia)☎️值的試驗結(jié)果，并應用到(dào)渦街流量計(ji)的開發中，使(shǐ)得渦街流量(liàng)計的測量精(jīng)度、可靠性得(de)到了很大的(de)提高[2，3]。工業測(cè)量中經常會(huì)有這樣的情(qíng)況出現：液體(tǐ)管道中有時(shi)會混入少量(liàng)的氣體，被測(cè)流質變📐成了(le)氣液兩相流(liú)。由于氣液兩(liang)相流的複雜(za)性，研究🆚這種(zhong)條件下渦街(jie)流量計測量(liàng)特性的文章(zhang)不多。西安交(jiāo)通大學的李(lǐ)永光[4-6]曾經在(zai)氣液兩相流(liú)的豎直管道(dao)上，對⛱️不同形(xíng)狀的渦街發(fa)生體進行了(le)研究，對🎯不同(tong)截面含氣率(lü)下渦街🔅的結(jie)構以及斯特(te)勞哈爾✉️數的(de)變化進行了(le)大量的🈲試🈲驗(yàn)研究，并給出(chu)了斯特♈勞哈(hā)爾數随截面(mian)含氣率而變(biàn)化的公式。李(lǐ)永光的⛹🏻‍♀️工作(zuo)主要是從流(liú)體力學的角(jiǎo)度對氣🛀🏻液兩(liang)相流中渦街(jiē)現象的機理(lǐ)進行了研究(jiū)，其給出的試(shi)驗結果涉及(ji)到截面含氣(qì)率的測量[4]。本(běn)🙇‍♀️文通過🔞試驗(yan)從測量的角(jiao)度，研究了水(shui)平管道中含(han)有少量氣體(ti)的液體條件(jiàn)下渦街流量(liang)計測量🏃🏻‍♂️結果(guǒ)♊的變化情況(kuàng)🤟，并且測⛱️量結(jie)果分别用譜(pǔ)分析和脈沖(chòng)計數兩⭕種測(ce)量方式得到(dào)，通過比較發(fā)現在液含氣(qi)流體條件下(xià)譜分析要明(míng)顯優于脈沖(chòng)計數的方式(shi)。

    1　試驗裝置與(yu)試驗方法

    1.1　試(shì)驗裝置

    試驗(yàn)介質由已測(cè)定流量的水(shuǐ)和空氣組成(chéng)，分别送入❄️管(guan)道混🧑🏽‍🤝‍🧑🏻和成氣(qi)液兩相流送(song)入試驗管段(duàn)。試驗裝置如(ru)🔞圖1所示。試🥵驗(yàn)裝🤩置由空氣(qì)壓縮機、儲氣(qi)罐、蓄水罐、分(fen)離罐、流量計(jì)、壓力😘變送器(qi)、溫度變送器(qi)、工控機和各(ge)種閥門組成(chéng)。

    空氣壓縮機(jī)将空氣壓縮(suō)後送入儲氣(qì)罐，标準流量(liàng)計1計❗量氣🏃🏻‍♂️液(yè)✍️混合前儲氣(qì)罐送入管道(dào)的氣體流量(liang)。蓄水罐距離(lí)地面30m，提供試(shì)‼️驗所需的液(ye)相，其流量由(you)标準流♍量計(ji)2測得。液相和(he)氣相經混和(hé)器混和後送(song)入試驗管段(duan)，zui後流入分離(lí)罐将水和空(kōng)氣進行分離(li)，空氣由放氣(qì)閥排出，水由(yóu)水泵送回蓄(xù)水罐循環使(shi)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼用。工控機對(dui)所有儀表數(shù)據進行采集(ji)和顯示并對(duì)兩個電動調(diào)節閥進行控(kong)制，調節氣相(xiang)和液相的流(liú)量。

    試驗所用(yòng)的渦街流量(liàng)計選擇了一(yi)台應用zui多的(de)壓電式渦💋街(jiē)流量傳感器(qì)，其口徑的直(zhí)徑D=50mm。将渦街傳(chuan)感器放置在(zai)水平直管段(duàn)上，其上下遊(you)直管段長度(du)分⛱️别爲30D和20D。壓(ya)力變💯送器和(hé)溫度變送器(qì)分别放在渦(wo)街流量傳感(gan)器上遊1D和㊙️下(xia)遊10D的位置，混(hùn)和器㊙️安裝在(zai)渦🌈街流量計(jì)上🏃🏻遊30D的位置(zhì)。

圖1 氣液兩相(xiàng)流試驗裝置(zhì)

    1.2 試驗方法    

    通(tong)過流量計2的(de)測量和調節(jiē)電動閥2，水的(de)流量取6、8、10、12m³ /h四個(ge)流量值。通過(guo)電動閥1控制(zhi)，流量計1顯示(shi)空氣注入量(liàng)的範圍😍爲0.3～1.8m³ /h，其(qi)壓力範圍爲(wèi)0.4～0.5MPa。

    目前工業中(zhōng)應用的渦街(jie)流量計大部(bu)分是脈沖輸(shu)出，即将旋渦(wō)信号轉化爲(wei)脈沖信号，通(tōng)過對脈沖信(xin)✌️号計數計算(suàn)出旋渦脫落(luo)的頻率。脈沖(chong)輸出的渦街(jie)流量計主要(yào)的缺點是🤟易(yì)受噪聲幹擾(rǎo)，對于小流量(liàng)來說由于信(xìn)号微弱難以(yi)與噪聲區别(bie)。近幾年随着(zhe)數字信号處(chu)理技術的發(fa)🚶展，出現了以(yǐ)🌈DSP爲核心，具有(yǒu)🛀🏻譜分析功能(néng)的❌渦街流量(liang)計，這種方法(fǎ)提高了對微(wei)📐弱渦街頻率(lü)信号的識别(bié)♉[7-8]。考慮到這兩(liǎng)種不同類型(xíng)渦街流量計(ji)在工業💘現場(chǎng)使用，試驗中(zhōng)⛱️同❌時用譜分(fen)析方法和脈(mò)沖計數方法(fa)對渦街頻率(lü)進行計算，并(bing)對兩種方法(fǎ)進行了比較(jiao)🌈。

    渦街流量計(ji)的轉換電路(lù)流程圖如圖(tu)2所示。以5000Hz的頻(pín)率對A點的模(mo)拟信号進行(háng)采樣，每次采(cai)樣10組數據，每(mei)組數據有5×10⁴ 個(gè)采樣點，将得(dé)到的采樣點(diǎn)進行傅裏葉(yè)變換得到不(bú)同測量點渦(wo)街産生的頻(pín)率，同時通過(guò)脈沖計數的(de)方☂️法對B點采(cai)🈲樣。

圖2 渦街流(liu)量計電路框(kuang)圖

    2 渦街流量(liàng)計的标定

    将(jiang)渦街流量計(jì)在标準水裝(zhuāng)置上，分别用(yong)頻譜分析和(he)脈沖計數的(de)方法進行标(biāo)定，流體介質(zhì)爲水未加氣(qi)體，采用⚽的标(biao)準傳感器爲(wei)精度等級爲(wèi)0.2級的電磁流(liú)量計。在每個(ge)流量測量點(dian)上的儀表系(xi)數用公式（1）計(ji)算，然後用式(shì)（2）計算得到zui終(zhong)儀表系數K。Q_l 爲(wèi)被測水的流(liu)量值，f爲每一(yi)個流量點得(de)到的頻率，k爲(wei)⚽每🌈個測量點(diǎn)得到的儀表(biao)系數。k_max 、k_min 分别爲(wei)試驗流量範(fan)圍内得到的(de)zui大與zui小的儀(yi)表系數。儀表(biao)✨系數🔴的線性(xing)度E₁ 用式（3）來計(ji)算。

    譜分析和(hé)脈沖計數兩(liǎng)種不同方法(fǎ)計算出的渦(wo)街流量計儀(yi)表系數分别(bié)爲：Ks=10107p/m³ ；Kc=10143p/m³ ；計算得到(dào)的儀表系數(shu)線性度分别(bié)爲：1.2%和1.5%。圖3爲儀(yi)表系數随☀️水(shui)流💔量值變化(huà)的曲線，可以(yǐ)看出，在試驗(yan)所選流量範(fan)圍内，儀表系(xi)數🐕近似于一(yi)個常數，頻譜(pǔ)分析的結🌍果(guǒ)與脈沖計數(shu)所得到的試(shì)驗結果差别(bié)不大，之間的(de)誤差範圍爲(wèi)0.109%～0.688%。可見被測介(jiè)質全部爲水(shui)時兩種測量(liang)方法并沒有(yǒu)明顯的區别(bie)。

圖3　渦街流量(liàng)計儀表系數(shù)

    3　渦街信号分(fèn)析

    試驗發現(xian)，氣相的加入(rù)對渦街流量(liang)計測量的影(ying)響顯著，譜分(fen)析🔴和脈沖計(ji)數兩種方法(fǎ)随着氣相注(zhu)入的增加其(qí)表現也不同(tong)。圖4反映了水(shui)流量12m³ /h時，注入(ru)不同氣含率(lǜ)β時A點的模拟(ni)信号，如圖4（a～c）所(suǒ)示；經🔱譜分析(xī)後得到的頻(pín)率值，如圖4（d～f）所(suo)示；用脈沖計(ji)數方🛀法得到(dào)的⭕脈沖信号(hao)，如圖4（g～i）所示。圖(tú)4顯示，當注入(ru)氣量不大時(shí)，對渦街流量(liang)計的影響不(bú)大，無論是譜(pǔ)分析⛱️結果還(hai)是脈沖計數(shu)🥵得到的結果(guǒ)都比較好。當(dang)注入的氣量(liàng)進一步增加(jiā)時，渦街原始(shǐ)信号強度和(he)穩定性逐漸(jian)變差👄，渦♈街頻(pín)率信号會被(bei)幹擾信号所(suo)淹沒，反映到(dào)譜🐆分析圖是(shì)，渦街頻率的(de)譜能量減小(xiǎo)，幹擾信号的(de)譜能量加強(qiang)🐉；對于脈沖信(xìn)号，會因💚爲一(yī)些旋渦信号(hào)減弱，形成脈(mo)沖缺失現💰象(xiang)，而不能真實(shí)⛱️地反✏️映渦街(jie)産生的頻率(lü)。

    表1反映了不(bu)同流量點Q_l 下(xià)，随着注氣量(liang)Qg的增加，渦街(jiē)發生頻率fs和(he)fc的變化情況(kuang)。結果顯📱示，對(duì)于不同的水(shuǐ)流量，當注入(ru)的氣體流量(liàng)增加到一定(dìng)範圍時，不能(néng)再檢測到渦(wo)街信号；在♋一(yi)定水流量下(xià)，随着注氣量(liang)的增加譜分(fèn)析得到的頻(pin)率值會變大(da)，這是由于總(zǒng)的體積流量(liang)增加了，而脈(mo)沖計數法則(zé)由于産生脈(mò)沖缺失現象(xiang)所得到的頻(pín)率值減小。因(yīn)此在氣液兩(liǎng)相流下，譜分(fen)析比脈沖計(ji)數法有🈲優勢(shi)，它能在較高(gāo)的含氣🛀🏻量依(yi)然能檢測到(dào)旋渦脫落的(de)頻率。

圖4 不同(tóng)注氣量時頻(pín)率信号圖

    4　渦(wō)街流量計的(de)誤差分析

    将(jiang)試驗數據進(jin)行處理，得到(dao)了渦街流量(liang)計測量誤差(cha)随氣相含率(lǜ)變化的情況(kuàng)，如圖5所示。其(qí)中δs爲譜分析(xī)方法的測量(liàng)🌐誤差，δc爲脈沖(chong)計數方法的(de)測量誤差。渦(wō)街流量計的(de)測量誤差用(yòng)式（4）來計算🎯。其(qi)中Qs爲裝置中(zhong)标準表測量(liang)出的管道總(zong)流☎️量，Qt爲試驗(yàn)管段中渦街(jiē)流量計的測(ce)量值。将譜分(fen)析和脈沖🤞計(ji)數得到的頻(pín)率值和儀表(biao)系數分别代(dai)入式（5）計算Qt值(zhí)。從圖中可以(yǐ)看出氣相含(hán)率的增加兩(liǎng)種測量方法(fǎ)得到的誤差(chà)并不相同。當(dang)含氣👄率不高(gāo)時，0<β<6%，譜分析法(fa)的平均誤差(cha)爲1.226%，zui大誤差爲(wei)2.687%，脈沖計數法(fa)的平均誤差(chà)爲1.583%，zui大誤差爲(wèi)2.898%，因此譜分析(xi)法與脈沖計(ji)數法的測量(liang)誤差區别不(bú)大，譜分析沒(mei)有明顯的優(yōu)勢；在氣相含(hán)率進一步🏃‍♂️增(zeng)加時，6%<β<14%，譜分析(xi)法的平均🈲誤(wù)差爲✨3.975%，zui大誤差(chà)爲14.058%，脈沖計數(shu)法的平均誤(wu)差爲20.053%，zui大誤差(cha)爲33.130%，脈沖計數(shu)的方法得到(dào)的測量誤差(chà)遠大于譜分(fèn)析方法⭐。

    含氣(qì)液體測量誤(wù)差産生的主(zhu)要原因是：在(zai)氣液兩相流(liu)㊙️動💁中，由🈲于氣(qi)泡對旋渦發(fā)生體的撞擊(jī)作用，氣泡對(duì)邊界層和✔️旋(xuán)渦脫落的影(ying)響，以及旋渦(wo)吸入氣泡使(shi)其強度減弱(ruo)，使旋渦脈沖(chòng)數缺失，缺失(shī)的旋渦數不(bú)穩定，使脈沖(chòng)計數方法測(cè)量的誤差增(zēng)大，而譜分析(xī)的方法在一(yī)段時域内得(dé)到主頻☎️譜作(zuò)爲渦街❓頻率(lü)值，減小了旋(xuán)渦缺失對測(cè)🌈量的影響。所(suo)以含氣液體(ti)流體計量中(zhong)譜分析方法(fǎ)要好🔞于脈沖(chong)計數的方法(fa)。

圖5　不同氣相(xiàng)含率下渦街(jiē)流量計的測(ce)量誤差

    5　結束(shu)語

    從試驗結(jié)果來看，渦街(jiē)流量計在測(ce)量混有少量(liàng)氣體🏃的❌液體(ti)👅流量時，測量(liàng)誤差會顯著(zhe)增加。之所以(yǐ)會🐇出現這樣(yang)的情況，一🏃🏻方(fāng)面，氣體在液(yè)體中會形成(cheng)氣泡，在旋渦(wō)發生體的後(hòu)部形成氣團(tuan)，并且旋渦中(zhong)心會出現一(yī)♋個低壓區，吸(xī)入大量🧑🏽‍🤝‍🧑🏻質量(liang)較輕♍的氣泡(pao)，從而削弱了(le)旋渦的能量(liàng)，使🔴壓電傳感(gan)器檢測不到(dào)旋渦，導緻檢(jian)測過♈程中脈(mò)沖缺失現象(xiàng)出現；另一方(fāng)面，由于旋渦(wo)的能量降低(di)，會增加流場(chǎng)本身對旋渦(wō)脫落的擾動(dòng)，進一步增🌍加(jia)了測量的誤(wu)差。其它方面(mian)，旋渦發生體(tǐ)後的氣團，旋(xuan)渦中心區氣(qì)泡的含量、旋(xuán)渦外的氣泡(pào)量、氣泡的大(da)小等等都會(huì)影響測量的(de)結果。

    通過上(shàng)述的試驗結(jie)果及分析表(biǎo)明，單相液體(tǐ)中混💯入少量(liàng)的氣體時會(hui)導緻渦街旋(xuan)渦強度變弱(ruo)和可靠性變(bian)差☎️，在這🌈種條(tiao)件下測量時(shí)譜分析的方(fāng)法在🔅氣含率(lü)不大時🐕（0<β<6%）與脈(mò)沖計數的方(fāng)法差🏃🏻别不大(dà)，但随着氣含(hán)率的進一步(bu)🌈增加（6%<β<14%），譜分💚析(xi)的方法要好(hǎo)于脈♌沖計數(shù)的方法。

    參考(kǎo)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]李永光(guang)，林宗虎，王樹(shù)衆.氣液兩相(xiàng)流體渦街中(zhōng)旋渦㊙️結構的(de)特🔞性研究[J].西(xi)安交通大學(xue)學報，1996，30（2）：36-41.
    [5]李永光(guang)，林宗虎.氣液(yè)兩相渦街的(de)數值計算[J].力(lì)學與實🐅踐，1997，19（3）：14-18.
    [6]李(lǐ)永光，林宗虎(hǔ).氣液兩相渦(wo)街穩定性的(de)研究[J].力學學(xue)🌏報，1998，30（2）：138-144.
    [7]徐科軍，呂(lü)迅宏，陳榮保(bao)，等.基于DSP、具有(yǒu)譜分析功能(néng)的渦街流🍉量(liàng)計信号處理(lǐ)系統[J].儀器儀(yí)表學報，2001，22（3）：255-264.
    [8]孫宏(hong)軍，張濤，淩箐(qing).基于松弛陷(xian)波周期圖法(fa)的渦街流量(liang)計信号處理(li)技術的研究(jiu)[J].儀器儀表學(xue)報，2004，25（5）：577-581