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1.引言
   渦街流量計(jì)（或稱旋渦流量計(jì)）是一種基于流體振蕩原理的新型速度式流量儀表。它的輸出信號(hào)是與流量成正比的脈沖頻率信號(hào)或標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，可遠(yuǎn)距離傳輸，并且輸出信號(hào)僅與流量有關(guān)，不受流體的溫度、壓力、成分、粘度和密度的影響。它具有量程比寬，結(jié)構(gòu)簡單，無運(yùn)動(dòng)件，檢測元件不接觸被測流體，具有測量精度好、應(yīng)用范圍廣、使用壽命長等特點(diǎn)。因此，渦街流量計(jì)自20世紀(jì)60年代末誕生以來，發(fā)展異常迅速，許多研究者進(jìn)行了大量的工作，開發(fā)出了眾多類型的渦街流量計(jì)，并大量生產(chǎn)投放市場，像這樣在短短幾年時(shí)間內(nèi)就達(dá)到從實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)到批量生產(chǎn)過程的流量計(jì)還是僅有的。
   然而，在經(jīng)歷了20世紀(jì)80～90年代的“渦街熱”以后，渦街流量計(jì)的發(fā)展放慢了步伐。由于對這種新型儀表的生產(chǎn)、設(shè)計(jì)、選型和應(yīng)用方面的經(jīng)驗(yàn)不足，面對各行各業(yè)千差萬別的現(xiàn)場和測量對象，有些問題逐步暴露出來，如安裝條件和方式對測量的影響等。對于安裝條件（即各種使用條件下所必須的直管段長度）的要求，不同儀表廠家都會(huì)給出一個(gè)比較合理的建議值。但是，對于安裝方式（即流量計(jì)水平安裝或垂直安裝）給渦街流量計(jì)造成的影響，一般都沒有涉及。本文通過相同條件下的實(shí)驗(yàn)研究，定量地討論和比較了水平、垂直兩種安裝方式對渦街流量計(jì)測量的影響。
2．渦街流量計(jì)測量原理
   在流體中垂直于流向插入一根非流線型柱狀物體（即旋渦發(fā)生體），當(dāng)流速大于一定值時(shí)，在柱狀物兩側(cè)將產(chǎn)生兩排旋轉(zhuǎn)方向相反、交替出現(xiàn)的非對稱的旋渦列（即卡門渦街），如圖1所示，通過檢測渦街產(chǎn)生的頻率，根據(jù)有關(guān)的關(guān)系式得到流體的流量。

設(shè)旋渦的發(fā)生頻率為f，被測介質(zhì)來流的平均速度為u，旋渦發(fā)生體迎面寬度為d，管道內(nèi)徑為D，根據(jù)卡門渦街原理，有如下關(guān)系式：

式中u1為旋渦發(fā)生體兩側(cè)的平均流速，m/s；St為斯特勞哈爾數(shù)，量綱為1；m為旋渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積與管道橫截面面積之比，量綱為1。
管道內(nèi)流體的體積流量qv為：
式中K為渦街流量計(jì)的儀表系數(shù)，Hz/(m3/h)。
式（3）就是渦街流量計(jì)測量的基本關(guān)系式，其中K除與旋渦發(fā)生體、管道的幾何尺寸有關(guān)外，還與斯特勞哈爾數(shù)有關(guān)。斯特勞哈爾數(shù)為無量綱參數(shù)，它與旋渦發(fā)生體形狀及雷諾數(shù)有關(guān)，在ReD = 2×104 ~ 7×106范圍內(nèi)，St可視為常數(shù)，這是儀表正常工作范圍。同時(shí)可以看到，渦街流量計(jì)輸出的脈沖頻率信號(hào)不受流體物性和組分變化的影響，即儀表系數(shù)在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)僅與旋渦發(fā)生體及管道的形狀尺寸等有關(guān)。
3. 渦街流量計(jì)的安裝方式
   在工程實(shí)際應(yīng)用中，渦街流量計(jì)通常有如圖2所示的幾種安裝方式[10]，其中（a）、（b）、（c）三種方式都屬于水平安裝；（d）則為渦街流量計(jì)的垂直安裝。對不同的流體應(yīng)采用不同的安裝方式。普通液體、氣體、含水量液體的氣體、低溫氣體和液體、含微量固體顆粒的液體和氣體等可采用（a）、（c）、（d）方式安裝；高溫液體、高溫氣體、蒸汽可采用（b）、（c）、（d）方式安裝；濕飽和蒸汽可采用（a）、（c）、（d）方式安裝；液－氣（含微量氣體）、液－固（含微量固體）和液－液兩項(xiàng)流中，如果氣、固相不超出可測量范圍，建議首先采用（d）方式安裝。

4. 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果討論
4.1 實(shí)驗(yàn)裝置與過程
   實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示，水穩(wěn)壓罐為管路提供恒定的水壓，使實(shí)驗(yàn)時(shí)流量穩(wěn)定，水流量的大小由調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)，流量范圍為2～20 m3/h。電磁流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)流量表給出進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段的水的標(biāo)準(zhǔn)流量值，精度為0.5％。渦街流量計(jì)分別按照水平和垂直兩種方式安裝在實(shí)驗(yàn)管路中，它們都具有足夠長的前、后直管段長度，并且其它安裝條件都嚴(yán)格按照規(guī)定的要求。渦街流量計(jì)的信號(hào)通過示波器采集，采樣頻率選用1000 Hz，每組數(shù)據(jù)包含2500點(diǎn)。

4. 2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
   分別對在水平和垂直兩種安裝方式時(shí)測得的渦街信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT），可以得到渦街頻率值，圖4給出了渦街頻率與流量之間的關(guān)系。從圖中可以看出，兩者之間的差別很小。再分別對測得的渦街率與流量做零截距最小二乘擬合，得到水平、垂直安裝的渦街流量計(jì)儀表系數(shù)分別為2.5202 Hz/(m3/h)和2.5198 Hz/(m3/h)，相對誤差小于0.02%。可見，在安裝方式對渦街流量計(jì)的測量影響很小，可以忽略。

   為了進(jìn)一步研究渦街流量計(jì)安裝方式的影響，本文還比較了在水平和垂直兩種方式下的渦街信號(hào)的幅度。圖5給出了渦街信號(hào)幅度與流量之間的關(guān)系，可以看出信號(hào)幅度都與流量成近似二次方關(guān)系，在相同流量下，信號(hào)幅度基本上相等，這說明渦街流量計(jì)安裝方式對其信號(hào)幅度影響很小，也即旋渦的能量（正比于幅度的平方）幾乎不受影響。但是，仔細(xì)比較可以發(fā)現(xiàn)，渦街流量計(jì)水平安裝時(shí)的信號(hào)幅度略大于垂直安裝的情況，這里可定性地理解為，當(dāng)渦街流量計(jì)垂直安裝時(shí)部分旋渦能量因?yàn)榭朔�重力而耗散，使得渦街流量計(jì)傳感器感測到的渦街能量變少，從而造成信號(hào)幅度減小。

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