當(dāng)流體流過阻擋體時(shí)會(huì)在阻擋體的兩側(cè)交替產(chǎn)生旋渦，這種現(xiàn)象稱為卡門渦街。20世紀(jì)60年代日本橫河公司首先利用卡門渦街現(xiàn)象研制出渦街流量計(jì)，此后渦街流量計(jì)由于其諸多優(yōu)點(diǎn)得以在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1]。
在單相流體介質(zhì)條件下對(duì)渦街流量計(jì)的研究相對(duì)比較成熟，研究者通過試驗(yàn)的方法得到了大量有價(jià)值的試驗(yàn)結(jié)果，并應(yīng)用到渦街流量計(jì)的開發(fā)中，使得渦街流量計(jì)的測(cè)量精度、可靠性得到了很大的提高[2，3]。工業(yè)測(cè)量中經(jīng)常會(huì)有這樣的情況出現(xiàn)：液體管道中有時(shí)會(huì)混入少量的氣體，被測(cè)流質(zhì)變成了氣液兩相流。由于氣液兩相流的復(fù)雜性，研究這種條件下渦街流量計(jì)測(cè)量特性的文章不多。西安交通大學(xué)的李永光[4-6]曾經(jīng)在氣液兩相流的豎直管道上，對(duì)不同形狀的渦街發(fā)生體進(jìn)行了研究，對(duì)不同截面含氣率下渦街的結(jié)構(gòu)以及斯特勞哈爾數(shù)的變化進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，并給出了斯特勞哈爾數(shù)隨截面含氣率而變化的公式。李永光的工作主要是從流體力學(xué)的角度對(duì)氣液兩相流中渦街現(xiàn)象的機(jī)理進(jìn)行了研究，其給出的試驗(yàn)結(jié)果涉及到截面含氣率的測(cè)量[4]。本文通過試驗(yàn)從測(cè)量的角度，研究了水平管道中含有少量氣體的液體條件下渦街流量計(jì)測(cè)量結(jié)果的變化情況，并且測(cè)量結(jié)果分別用譜分析和脈沖計(jì)數(shù)兩種測(cè)量方式得到，通過比較發(fā)現(xiàn)在液含氣流體條件下譜分析要明顯優(yōu)于脈沖計(jì)數(shù)的方式。
1 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法
1.1 試驗(yàn)裝置
試驗(yàn)介質(zhì)由已測(cè)定流量的水和空氣組成，分別送入管道混和成氣液兩相流送入試驗(yàn)管段。試驗(yàn)裝置如圖1所示。試驗(yàn)裝置由空氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣罐、蓄水罐、分離罐、流量計(jì)、壓力變送器、溫度變送器、工控機(jī)和各種閥門組成。
空氣壓縮機(jī)將空氣壓縮后送入儲(chǔ)氣罐，標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)1計(jì)量氣液混合前儲(chǔ)氣罐送入管道的氣體流量。蓄水罐距離地面30m，提供試驗(yàn)所需的液相，其流量由標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)2測(cè)得。液相和氣相經(jīng)混和器混和后送入試驗(yàn)管段，zui后流入分離罐將水和空氣進(jìn)行分離，空氣由放氣閥排出，水由水泵送回蓄水罐循環(huán)使用。工控機(jī)對(duì)所有儀表數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和顯示并對(duì)兩個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)氣相和液相的流量。
試驗(yàn)所用的渦街流量計(jì)選擇了一臺(tái)應(yīng)用zui多的壓電式渦街流量傳感器，其口徑的直徑D=50mm。將渦街傳感器放置在水平直管段上，其上下游直管段長度分別為30D和20D。壓力變送器和溫度變送器分別放在渦街流量傳感器上游1D和下游10D的位置，混和器安裝在渦街流量計(jì)上游30D的位置。
圖1 氣液兩相流試驗(yàn)裝置
1.2 試驗(yàn)方法
通過流量計(jì)2的測(cè)量和調(diào)節(jié)電動(dòng)閥2，水的流量取6、8、10、12m3/h四個(gè)流量值。通過電動(dòng)閥1控制，流量計(jì)1顯示空氣注入量的范圍為0.3～1.8m3/h，其壓力范圍為0.4～0.5MPa。
目前工業(yè)中應(yīng)用的渦街流量計(jì)大部分是脈沖輸出，即將旋渦信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)，通過對(duì)脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)計(jì)算出旋渦脫落的頻率。脈沖輸出的渦街流量計(jì)主要的缺點(diǎn)是易受噪聲干擾，對(duì)于小流量來說由于信號(hào)微弱難以與噪聲區(qū)別。近幾年隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了以DSP為核心，具有譜分析功能的渦街流量計(jì)，這種方法提高了對(duì)微弱渦街頻率信號(hào)的識(shí)別[7-8]?？紤]到這兩種不同類型渦街流量計(jì)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用，試驗(yàn)中同時(shí)用譜分析方法和脈沖計(jì)數(shù)方法對(duì)渦街頻率進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)兩種方法進(jìn)行了比較。
渦街流量計(jì)的轉(zhuǎn)換電路流程圖如圖2所示。以5000Hz的頻率對(duì)A點(diǎn)的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，每次采樣10組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)有5×104個(gè)采樣點(diǎn)，將得到的采樣點(diǎn)進(jìn)行傅里葉變換得到不同測(cè)量點(diǎn)渦街產(chǎn)生的頻率，同時(shí)通過脈沖計(jì)數(shù)的方法對(duì)B點(diǎn)采樣。
圖2 渦街流量計(jì)電路框圖
2 渦街流量計(jì)的標(biāo)定
將渦街流量計(jì)在標(biāo)準(zhǔn)水裝置上，分別用頻譜分析和脈沖計(jì)數(shù)的方法進(jìn)行標(biāo)定，流體介質(zhì)為水未加氣體，采用的標(biāo)準(zhǔn)傳感器為精度等級(jí)為0.2級(jí)的電磁流量計(jì)。在每個(gè)流量測(cè)量點(diǎn)上的儀表系數(shù)用公式（1）計(jì)算，然后用式（2）計(jì)算得到zui終儀表系數(shù)K。Ql為被測(cè)水的流量值，f為每一個(gè)流量點(diǎn)得到的頻率，k為每個(gè)測(cè)量點(diǎn)得到的儀表系數(shù)。kmax、kmin分別為試驗(yàn)流量范圍內(nèi)得到的zui大與zui小的儀表系數(shù)。儀表系數(shù)的線性度E1用式（3）來計(jì)算。
譜分析和脈沖計(jì)數(shù)兩種不同方法計(jì)算出的渦街流量計(jì)儀表系數(shù)分別為：Ks=10107p/m3；Kc=10143p/m3；計(jì)算得到的儀表系數(shù)線性度分別為：1.2%和1.5%。圖3為儀表系數(shù)隨水流量值變化的曲線，可以看出，在試驗(yàn)所選流量范圍內(nèi)，儀表系數(shù)近似于一個(gè)常數(shù)，頻譜分析的結(jié)果與脈沖計(jì)數(shù)所得到的試驗(yàn)結(jié)果差別不大，之間的誤差范圍為0.109%～0.688%。可見被測(cè)介質(zhì)全部為水時(shí)兩種測(cè)量方法并沒有明顯的區(qū)別。
圖3 渦街流量計(jì)儀表系數(shù)
3 渦街信號(hào)分析
試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，氣相的加入對(duì)渦街流量計(jì)測(cè)量的影響顯著，譜分析和脈沖計(jì)數(shù)兩種方法隨著氣相注入的增加其表現(xiàn)也不同。圖4反映了水流量12m3/h時(shí)，注入不同氣含率β時(shí)A點(diǎn)的模擬信號(hào)，如圖4（a～c）所示；經(jīng)譜分析后得到的頻率值，如圖4（d～f）所示；用脈沖計(jì)數(shù)方法得到的脈沖信號(hào)，如圖4（g～i）所示。圖4顯示，當(dāng)注入氣量不大時(shí)，對(duì)渦街流量計(jì)的影響不大，無論是譜分析結(jié)果還是脈沖計(jì)數(shù)得到的結(jié)果都比較好。當(dāng)注入的氣量進(jìn)一步增加時(shí)，渦街原始信號(hào)強(qiáng)度和穩(wěn)定性逐漸變差，渦街頻率信號(hào)會(huì)被干擾信號(hào)所淹沒，反映到譜分析圖是，渦街頻率的譜能量減小，干擾信號(hào)的譜能量加強(qiáng)；對(duì)于脈沖信號(hào)，會(huì)因?yàn)橐恍┬郎u信號(hào)減弱，形成脈沖缺失現(xiàn)象，而不能真實(shí)地反映渦街產(chǎn)生的頻率。
表1反映了不同流量點(diǎn)Ql下，隨著注氣量Qg的增加，渦街發(fā)生頻率fs和fc的變化情況。結(jié)果顯示，對(duì)于不同的水流量，當(dāng)注入的氣體流量增加到一定范圍時(shí)，不能再檢測(cè)到渦街信號(hào)；在一定水流量下，隨著注氣量的增加譜分析得到的頻率值會(huì)變大，這是由于總的體積流量增加了，而脈沖計(jì)數(shù)法則由于產(chǎn)生脈沖缺失現(xiàn)象所得到的頻率值減小。因此在氣液兩相流下，譜分析比脈沖計(jì)數(shù)法有優(yōu)勢(shì)，它能在較高的含氣量依然能檢測(cè)到旋渦脫落的頻率。
圖4 不同注氣量時(shí)頻率信號(hào)圖
4 渦街流量計(jì)的誤差分析
將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到了渦街流量計(jì)測(cè)量誤差隨氣相含率變化的情況，如圖5所示。其中δs為譜分析方法的測(cè)量誤差，δc為脈沖計(jì)數(shù)方法的測(cè)量誤差。渦街流量計(jì)的測(cè)量誤差用式（4）來計(jì)算。其中Qs為裝置中標(biāo)準(zhǔn)表測(cè)量出的管道總流量，Qt為試驗(yàn)管段中渦街流量計(jì)的測(cè)量值。將譜分析和脈沖計(jì)數(shù)得到的頻率值和儀表系數(shù)分別代入式（5）計(jì)算Qt值。從圖中可以看出氣相含率的增加兩種測(cè)量方法得到的誤差并不相同。當(dāng)含氣率不高時(shí)，0<β<6%，譜分析法的平均誤差為1.226%，zui大誤差為2.687%，脈沖計(jì)數(shù)法的平均誤差為1.583%，zui大誤差為2.898%，因此譜分析法與脈沖計(jì)數(shù)法的測(cè)量誤差區(qū)別不大，譜分析沒有明顯的優(yōu)勢(shì)；在氣相含率進(jìn)一步增加時(shí)，6%<β<14%，譜分析法的平均誤差為3.975%，zui大誤差為14.058%，脈沖計(jì)數(shù)法的平均誤差為20.053%，zui大誤差為33.130%，脈沖計(jì)數(shù)的方法得到的測(cè)量誤差遠(yuǎn)大于譜分析方法。
含氣液體測(cè)量誤差產(chǎn)生的主要原因是：在氣液兩相流動(dòng)中，由于氣泡對(duì)旋渦發(fā)生體的撞擊作用，氣泡對(duì)邊界層和旋渦脫落的影響，以及旋渦吸入氣泡使其強(qiáng)度減弱，使旋渦脈沖數(shù)缺失，缺失的旋渦數(shù)不穩(wěn)定，使脈沖計(jì)數(shù)方法測(cè)量的誤差增大，而譜分析的方法在一段時(shí)域內(nèi)得到主頻譜作為渦街頻率值，減小了旋渦缺失對(duì)測(cè)量的影響。所以含氣液體流體計(jì)量中譜分析方法要好于脈沖計(jì)數(shù)的方法。
圖5 不同氣相含率下渦街流量計(jì)的測(cè)量誤差
5 結(jié)束語
從試驗(yàn)結(jié)果來看，渦街流量計(jì)在測(cè)量混有少量氣體的液體流量時(shí)，測(cè)量誤差會(huì)顯著增加。之所以會(huì)出現(xiàn)這樣的情況，一方面，氣體在液體中會(huì)形成氣泡，在旋渦發(fā)生體的后部形成氣團(tuán)，并且旋渦中心會(huì)出現(xiàn)一個(gè)低壓區(qū)，吸入大量質(zhì)量較輕的氣泡，從而削弱了旋渦的能量，使壓電傳感器檢測(cè)不到旋渦，導(dǎo)致檢測(cè)過程中脈沖缺失現(xiàn)象出現(xiàn)；另一方面，由于旋渦的能量降低，會(huì)增加流場(chǎng)本身對(duì)旋渦脫落的擾動(dòng)，進(jìn)一步增加了測(cè)量的誤差。其它方面，旋渦發(fā)生體后的氣團(tuán)，旋渦中心區(qū)氣泡的含量、旋渦外的氣泡量、氣泡的大小等等都會(huì)影響測(cè)量的結(jié)果。
通過上述的試驗(yàn)結(jié)果及分析表明，單相液體中混入少量的氣體時(shí)會(huì)導(dǎo)致渦街旋渦強(qiáng)度變?nèi)鹾涂煽啃宰儾?，在這種條件下測(cè)量時(shí)譜分析的方法在氣含率不大時(shí)（0<β<6%）與脈沖計(jì)數(shù)的方法差別不大，但隨著氣含率的進(jìn)一步增加（6%<β<14%），譜分析的方法要好于脈沖計(jì)數(shù)的方法。
參考文獻(xiàn)：
[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，林宗虎，王樹眾.氣液兩相流體渦街中旋渦結(jié)構(gòu)的特性研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1996，30（2）：36-41.
[5]李永光，林宗虎.氣液兩相渦街的數(shù)值計(jì)算[J].力學(xué)與實(shí)踐，1997，19（3）：14-18.
[6]李永光，林宗虎.氣液兩相渦街穩(wěn)定性的研究[J].力學(xué)學(xué)報(bào)，1998，30（2）：138-144.
[7]徐科軍，呂迅宏，陳榮保，等.基于DSP、具有譜分析功能的渦街流量計(jì)信號(hào)處理系統(tǒng)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2001，22（3）：255-264.
[8]孫宏軍，張濤，凌箐.基于松弛陷波周期圖法的渦街流量計(jì)信號(hào)處理技術(shù)的研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2004，25（5）：577-581
86-020-31199948/85550363
86-020-85628533
