涡街流量计在含气液体测量中的试验研究报告

当流体流过阻挡体时会在阻挡体的两侧交替产生旋涡，这种现象称为卡门涡街。20世纪60年代日本横河公司首先利用卡门涡街现象研制出涡街流量计，此后涡街流量计由于其诸多优点得以在工业领域广泛应用[1]。      

    在单相流体介质条件下对涡街流量计的研究相对比较成熟，研究者通过试验的方法得到了大量有价值的试验结果，并应用到涡街流量计的开发中，使得涡街流量计的测量精度、可靠性得到了很大的提高[2，3]。工业测量中经常会有这样的情况出现：液体管道中有时会混入少量的气体，被测流质变成了气液两相流。由于气液两相流的复杂性，研究这种条件下涡街流量计测量特性的文章不多。西安交通大学的李永光[4-6]曾经在气液两相流的竖直管道上，对不同形状的涡街发生体进行了研究，对不同截面含气率下涡街的结构以及斯特劳哈尔数的变化进行了大量的试验研究，并给出了斯特劳哈尔数随截面含气率而变化的公式。李永光的工作主要是从流体力学的角度对气液两相流中涡街现象的机理进行了研究，其给出的试验结果涉及到截面含气率的测量[4]。本文通过试验从测量的角度，研究了水平管道中含有少量气体的液体条件下涡街流量计测量结果的变化情况，并且测量结果分别用谱分析和脉冲计数两种测量方式得到，通过比较发现在液含气流体条件下谱分析要明显优于脉冲计数的方式。

    1　试验装置与试验方法

    1.1　试验装置

    试验介质由已测定流量的水和空气组成，分别送入管道混和成气液两相流送入试验管段。试验装置如图1所示。试验装置由空气压缩机、储气罐、蓄水罐、分离罐、流量计、压力变送器、温度变送器、工控机和各种阀门组成。

    空气压缩机将空气压缩后送入储气罐，标准流量计1计量气液混合前储气罐送入管道的气体流量。蓄水罐距离地面30m，提供试验所需的液相，其流量由标准流量计2测得。液相和气相经混和器混和后送入试验管段，最后流入分离罐将水和空气进行分离，空气由放气阀排出，水由水泵送回蓄水罐循环使用。工控机对所有仪表数据进行采集和显示并对两个电动调节阀进行控制，调节气相和液相的流量。

    试验所用的涡街流量计选择了一台应用最多的压电式涡街流量传感器，其口径的直径D=50mm。将涡街传感器放置在水平直管段上，其上下游直管段长度分别为30D和20D。压力变送器和温度变送器分别放在涡街流量传感器上游1D和下游10D的位置，混和器安装在涡街流量计上游30D的位置。

图1 气液两相流试验装置

    1.2 试验方法    

    通过流量计2的测量和调节电动阀2，水的流量取6、8、10、12m³/h四个流量值。通过电动阀1控制，流量计1显示空气注入量的范围为0.3～1.8m³/h，其压力范围为0.4～0.5MPa。

    目前工业中应用的涡街流量计大部分是脉冲输出，即将旋涡信号转化为脉冲信号，通过对脉冲信号计数计算出旋涡脱落的频率。脉冲输出的涡街流量计主要的缺点是易受噪声干扰，对于小流量来说由于信号微弱难以与噪声区别。近几年随着数字信号处理技术的发展，出现了以DSP为核心，具有谱分析功能的涡街流量计，这种方法提高了对微弱涡街频率信号的识别[7-8]。考虑到这两种不同类型涡街流量计在工业现场使用，试验中同时用谱分析方法和脉冲计数方法对涡街频率进行计算，并对两种方法进行了比较。

    涡街流量计的转换电路流程图如图2所示。以5000Hz的频率对A点的模拟信号进行采样，每次采样10组数据，每组数据有5?0⁴个采样点，将得到的采样点进行傅里叶变换得到不同测量点涡街产生的频率，同时通过脉冲计数的方法对B点采样。

图2 涡街流量计电路框图

    2 涡街流量计的标定

    将涡街流量计在标准水装置上，分别用频谱分析和脉冲计数的方法进行标定，流体介质为水未加气体，采用的标准传感器为精度等级为0.2级的电磁流量计。在每个流量测量点上的仪表系数用公式（1）计算，然后用式（2）计算得到最终仪表系数K。Q_l为被测水的流量值，f为每一个流量点得到的频率，k为每个测量点得到的仪表系数。k_max、k_min分别为试验流量范围内得到的最大与最小的仪表系数。仪表系数的线性度E₁用式（3）来计算。

    谱分析和脉冲计数两种不同方法计算出的涡街流量计仪表系数分别为：Ks=10107p/m³；Kc=10143p/m³；计算得到的仪表系数线性度分别为：1.2%和1.5%。图3为仪表系数随水流量值变化的曲线，可以看出，在试验所选流量范围内，仪表系数近似于一个常数，