當(dāng)流體流過阻擋體時會在(zài)阻擋體的兩側交替産生旋渦，這種現象稱爲卡門渦街。20世紀(jì)60年代日本橫河公司首先利用卡門渦街現象研制出渦街流量計(jì)，此後渦街流量計由于(yú)其(qí)諸多優點得以在工業(yè)領域廣泛應用[1]。      

    在單相(xiàng)流體(tǐ)介質條件下對渦街(jiē)流量計的研究相對比較成熟，研究者通過試驗的方法(fǎ)得到了大量有價值的試(shì)驗結果，并應用到渦街流(liú)量計的開發中(zhōng)，使得渦街流量計的測量(liàng)精度、可靠(kào)性得到了很大的(de)提高[2，3]。工業測量中經常會有這樣的情況出現：液體(tǐ)管(guǎn)道中(zhōng)有時會混入(rù)少量的氣體，被測(cè)流質變成了氣液兩相流。由于氣液兩相流的複雜性，研究這種條件下渦街(jiē)流量計測量特性的文章(zhāng)不多。西安交通大學(xué)的李永光[4-6]曾經在氣(qì)液兩相流的豎直(zhí)管道上，對不同形狀的渦街發生體(tǐ)進行了研究，對不同截面含(hán)氣率下渦街(jiē)的結構以及斯特勞哈爾數的變化進(jìn)行了大量的試驗研究，并給(gěi)出(chū)了斯特勞哈爾數随截面含氣率而變化的公式。李永光的工作主要是從(cóng)流體力(lì)學的(de)角度對氣液兩相流中渦街現象的機理進行了研(yán)究，其給出的試驗結果(guǒ)涉及到截面含氣率的測量[4]。本文通過試驗從測量(liàng)的角度，研究了水平管道中含有少量氣體的液體條(tiáo)件下渦街流量計測量結果的變化情況，并且測量結果分别(bié)用譜分析(xī)和脈沖計數兩種(zhǒng)測量方式得到，通過比較發現在液含氣流體條件(jiàn)下譜分(fèn)析要明顯優于(yú)脈沖計數的方式。

    1　試驗裝(zhuāng)置與試驗方法

    1.1　試驗裝置

    試驗介質由已測定流量(liàng)的水和空(kōng)氣組成，分别送入管道混和成氣液兩相流送入試驗(yàn)管段。試驗裝置如(rú)圖1所示。試驗裝置由空氣壓縮機(jī)、儲氣罐、蓄水罐、分離罐、流量計、壓(yā)力變送器、溫度變(biàn)送器、工控機和各種閥門組成。

    空氣壓縮機将空氣壓縮後(hòu)送入儲氣罐，标準流量計1計(jì)量氣液(yè)混合(hé)前儲氣罐送入管道的氣(qì)體流量(liàng)。蓄水罐(guàn)距離地面30m，提供(gòng)試驗所需(xū)的液相，其流量由(yóu)标準流量計2測得。液相和氣相經混和器(qì)混(hùn)和後送入試驗管段，zui後流入分離罐将水和空氣進行分離，空氣(qì)由(yóu)放氣閥排出，水(shuǐ)由水泵(bèng)送回蓄水罐循環使(shǐ)用。工控機對所有儀表數據進行采集和顯示并對兩個電動調節閥進行控制，調節氣相和液(yè)相的流量。

    試驗所(suǒ)用的渦街流量(liàng)計選擇了一台應用zui多(duō)的壓電式渦街流(liú)量傳感器，其口徑(jìng)的直徑D=50mm。将渦街傳感器放置在水平直管(guǎn)段上，其上下遊直管段長度分别(bié)爲30D和20D。壓力變送器和溫度變送器分别放在渦街流量傳感器上遊1D和下遊10D的位置，混和(hé)器安裝在渦街流量計上遊30D的位置(zhì)。

圖1 氣液(yè)兩相(xiàng)流試驗裝置

    1.2 試驗方法    

    通過(guò)流量計2的測量和調節電動閥2，水的流量取(qǔ)6、8、10、12m³ /h四個流量值。通過電動閥1控制，流量計1顯(xiǎn)示空氣注入量的範圍爲0.3～1.8m³ /h，其壓力範圍爲0.4～0.5MPa。

    目前工業中應用的渦街流量計大部分是脈沖輸(shū)出，即将旋渦信号轉化爲脈沖信号，通過對脈沖信号計數計算出(chū)旋渦脫落的頻率。脈沖輸出的(de)渦街流(liú)量計主要的缺點是易受噪(zào)聲幹擾，對(duì)于小流量來說由于(yú)信号微弱難以與噪(zào)聲區别。近幾年(nián)随着(zhe)數字信号處理技術的(de)發展，出現了以DSP爲核心，具有譜(pǔ)分析功能的渦街(jiē)流量計，這種方法提高(gāo)了對微弱渦街頻率信号的識别[7-8]。考慮到這兩種不同(tóng)類型(xíng)渦街流(liú)量計在工業現場使用，試驗中同時用譜分析方法和脈沖計數方法對(duì)渦街頻率進行計(jì)算，并對兩種方法進行了比較。

    渦街(jiē)流量計的轉(zhuǎn)換電路流程圖如圖2所示。以(yǐ)5000Hz的頻率對A點的模拟信号進行(háng)采樣，每次(cì)采樣10組數據，每組數據有5×10⁴ 個采樣點，将得到(dào)的采樣點進行傅裏葉變換得到不同測量點渦街産生的(de)頻率，同時通過脈沖計(jì)數的方法對B點采樣。

圖2 渦街(jiē)流量(liàng)計電路框圖

    2 渦街流量計的标定

    将渦街流量計在标準水裝(zhuāng)置上，分别用(yòng)頻譜分析和脈沖計數的方(fāng)法進(jìn)行标定，流體介質爲水未(wèi)加氣體，采用的标準傳感器爲(wèi)精度等級爲0.2級的電磁流量計。在每個流量(liàng)測量點(diǎn)上的儀表系數用公式（1）計算，然(rán)後用式（2）計算得到zui終儀表系數K。Q_l 爲被測水(shuǐ)的流量值，f爲每一個流量點得到的頻率，k爲每個測量點得到的儀表系數。k_max 、k_min 分(fèn)别爲試驗流量(liàng)範圍内得(dé)到的zui大與(yǔ)zui小的儀表系數(shù)。儀(yí)表系數的線性度E₁ 用式(shì)（3）來計(jì)算。

    譜分析和脈沖計(jì)數兩種不同方(fāng)法計算出(chū)的渦(wō)街流量計儀表系數分别爲：Ks=10107p/m³ ；Kc=10143p/m³ ；計算得到的儀表系數線(xiàn)性度分别爲：1.2%和1.5%。圖3爲儀(yí)表系數随水流(liú)量值變化的曲線，可以看出，在試驗所選流量範圍(wéi)内，儀(yí)表(biǎo)系(xì)數近似于一個常數，頻譜分析的結果與脈(mò)沖計數所得到的(de)試驗結果差别不大，之(zhī)間的誤差範(fàn)圍爲(wèi)0.109%～0.688%。可見被測介質全部爲水時兩種測量方法并沒有(yǒu)明顯的區(qū)别。

圖3　渦街流量計儀表系數

    3　渦街信号分析

    試驗發(fā)現，氣相的加入對渦街(jiē)流量計測量(liàng)的影響顯著，譜分析(xī)和脈沖計數兩種方法随着氣相(xiàng)注入的增加其表(biǎo)現也不同。圖4反(fǎn)映了水流量12m³ /h時，注入不同氣含率β時A點的(de)模拟信号，如圖(tú)4（a～c）所示；經譜(pǔ)分析後得到的頻率值，如(rú)圖4（d～f）所示；用脈沖(chòng)計數方法得到的脈沖信号，如圖4（g～i）所示。圖4顯示，當注入氣量(liàng)不大時，對渦街流量計的影響不大，無論是譜分析結果還是脈沖計數得到的結果(guǒ)都比較好。當注入的氣量進一步增加時，渦街原始信号(hào)強度和穩定性逐漸變差，渦街頻率(lǜ)信号會被幹擾信号所淹沒，反映到譜分析圖是，渦(wō)街頻率的譜能量減小，幹擾信号的譜能量加強；對于脈(mò)沖信号，會因爲一些旋渦信号減弱，形成脈沖(chòng)缺失現象，而不能真實地(dì)反映渦街産生的頻率。

    表1反映了不同流量點Q_l 下(xià)，随着注氣量Qg的增加，渦街發生頻(pín)率fs和fc的變化情況。結果顯示，對(duì)于不同的水流量，當注(zhù)入的(de)氣體流量增(zēng)加到一定範圍時，不能再檢測到(dào)渦街信号；在一定水流量下(xià)，随着注氣量的增加譜分析(xī)得到的頻率值會變大(dà)，這是由于總的體積流量增加了，而脈沖計數法則由于産生脈沖缺失現象所得到的頻率值減小。因此在氣液兩相流下，譜分析比(bǐ)脈沖計數法有優勢，它能在較高的含氣(qì)量依然能檢測到旋渦脫落的頻率。

圖4 不同(tóng)注(zhù)氣量(liàng)時頻率信号(hào)圖

    4　渦街流量計的誤差分析

    将試驗數據進行處理，得到了渦街流量計測量誤差随氣相含率變化(huà)的情況，如圖5所示。其中δs爲譜分析方法的(de)測量誤差，δc爲脈沖計(jì)數方(fāng)法的(de)測量誤差。渦街流量(liàng)計的測量誤差用式（4）來計算。其中Qs爲裝置中标準表測量出的管道總流量，Qt爲試驗管段(duàn)中渦街流量計(jì)的測(cè)量值。将譜分析(xī)和脈(mò)沖計數得到的頻率值和儀表系數分别(bié)代入式（5）計算Qt值。從圖中可(kě)以看出氣相含率的增加兩(liǎng)種(zhǒng)測量方法得到的誤(wù)差并不相同。當含氣(qì)率(lǜ)不高時，0<β<6%，譜分析法(fǎ)的平均誤差爲1.226%，zui大誤(wù)差爲2.687%，脈沖計數法的平均誤(wù)差(chà)爲1.583%，zui大誤差爲2.898%，因此譜分析法與脈沖計數法的測量誤差區别不大，譜(pǔ)分析沒有明顯的優勢；在氣相含率進一步增加時，6%<β<14%，譜分析法的平均誤差爲3.975%，zui大誤差(chà)爲14.058%，脈沖計(jì)數法的平均誤差爲20.053%，zui大誤差爲(wèi)33.130%，脈(mò)沖計數的(de)方法得到的測量(liàng)誤差遠(yuǎn)大于譜分析方法。

    含氣液體測量誤差産生(shēng)的主要原(yuán)因是：在氣(qì)液兩相流動中，由于氣泡對旋(xuán)渦發生體的撞擊作用，氣泡對邊界層和旋渦脫落的影響，以及旋渦吸入氣泡使其強度減弱，使旋渦(wō)脈沖數缺失，缺失的旋渦數不穩定，使脈沖計(jì)數方法測量的誤差增大(dà)，而譜分析的方法在一段時(shí)域内得到主頻譜作爲渦街頻率(lǜ)值，減小了旋(xuán)渦缺失對測量(liàng)的影響。所以含氣液體流體計量中譜分析方法要好(hǎo)于脈沖計數的方(fāng)法。

圖5　不同氣相含率下(xià)渦街流量(liàng)計的(de)測量誤差

    5　結束語

    從試驗結果來看(kàn)，渦街流量(liàng)計在測量混有(yǒu)少量氣體的液(yè)體流量時，測量誤差會顯著增加。之所以會出現這樣的情況(kuàng)，一方面，氣體在液體中會形成氣泡(pào)，在旋渦發生體的後部形成氣團，并且旋渦中心會出現一(yī)個低壓(yā)區，吸入大量質量(liàng)較(jiào)輕的(de)氣泡，從而削弱了(le)旋渦的(de)能量，使壓電(diàn)傳感(gǎn)器檢測不到(dào)旋渦，導緻檢測過程(chéng)中脈沖缺失現(xiàn)象出現；另一方面，由于旋(xuán)渦的能量(liàng)降低，會增加流場本身對(duì)旋渦脫落的擾動，進一步(bù)增加了測量的誤差。其它方面，旋渦發(fā)生體後的氣團，旋渦中心區(qū)氣(qì)泡的含量、旋(xuán)渦外的氣(qì)泡量、氣泡的大小等等都會影響測(cè)量的結果。

    通過上述的試驗結果及分析表明，單相(xiàng)液(yè)體中混入少量的(de)氣體時(shí)會導緻(zhì)渦(wō)街旋渦強度(dù)變弱(ruò)和可靠性變差，在這種條件(jiàn)下測量(liàng)時譜分析的方法在氣含(hán)率不大時(shí)（0<β<6%）與脈沖計數的方法差(chà)别不大，但随着氣含率的進一步增加（6%<β<14%），譜分析的方法要好于脈沖計數的方法。

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