渦街流量計工作原理

1. 工作原理

　　在流體中設(shè)置旋渦發(fā)生體（阻流體），從旋渦發(fā)生體兩側(cè)交替地產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦，這種旋渦稱為卡曼渦街，如圖1所示。旋渦列在旋渦發(fā)生體下游非對稱地排列。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，表體通徑為D，根據(jù)卡曼渦街原理，有如下關(guān)系式
　　　　　　　　　　　　　　f=SrU₁/d=SrU/md 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（1）
式中　　U1--旋渦發(fā)生體兩側(cè)平均流速，m/s；
　　　　Sr--斯特勞哈爾數(shù)；
　　　　m--旋渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積與管道橫截面面積之比
　　　　　　　　

圖1 卡曼渦街

　　管道內(nèi)體積流量qv為
　　　　　　　　　　　　qv=πD²U/4=πD²mdf/4Sr 　　　　　　　　　　　　　　　?。?）
　　　　　　　　　　　　K=f/qv=[πD²md/4Sr]^-1 　　　　　　　　　　　　　　　　 （3）
式中 K--流量計的儀表系數(shù)，脈沖數(shù)/m³（P/m³）。
　　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)，圖2所示為圓柱狀旋渦發(fā)生體的斯特勞哈爾數(shù)與管道雷諾數(shù)的關(guān)系圖。由圖可見，在Re_D=2×10⁴～7×10⁶范圍內(nèi)，Sr可視為常數(shù)，這是儀表正常工作范圍。當(dāng)測量氣體流量時，VSF的流量計算式為
　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　（4）

圖2 斯特勞哈爾數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系曲線

式中 q_Vn，q_V--分別為標準狀態(tài)下（0^oC或20^oC，101.325kPa）和工況下的體積流量，m³/h；
　　 Pn，P--分別為標準狀態(tài)下和工況下的壓力，Pa；
　　 Tn，T--分別為標準狀態(tài)下和工況下的熱力學(xué)溫度，K；
　　 Zn，Z--分別為標準狀態(tài)下和工況下氣體壓縮系數(shù)。
　　由上式可見，VSF輸出的脈沖頻率信號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)。但是作為流量計在物料平衡及能源計量中需檢測質(zhì)量流量，這時流量計的輸出信號應(yīng)同時監(jiān)測體積流量和流體密度，流體物性和組分對流量計量還是有直接影響的。

2. 結(jié)構(gòu)

　　VSF由傳感器和轉(zhuǎn)換器兩部分組成，如圖3所示。傳感器包括旋渦發(fā)生體（阻流體）、檢測元件、儀表表體等；轉(zhuǎn)換器包括前置放大器、濾波整形電路、D／A轉(zhuǎn)換電路、輸出接口電路、端子、支架和防護罩等。近年來智能式流量計還把微處理器、顯示通訊及其他功能模塊亦裝在轉(zhuǎn)換器內(nèi)。

圖3 渦街流量計

（1）旋渦發(fā)生體

　　旋渦發(fā)生體是檢測器的主要部件，它與儀表的流量特性（儀表系數(shù)、線性度、范圍度等）和阻力特性（壓力損失）密切相關(guān)，對它的要求如下。
　　1） 能控制旋渦在旋渦發(fā)生體軸線方向上同步分離；
　　2） 在較寬的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，有穩(wěn)定的旋渦分離點，保持恒定的斯特勞哈爾數(shù)；
　　3） 能產(chǎn)生強烈的渦街，信號的信噪比高；
　　4） 形狀和結(jié)構(gòu)簡單，便于加工和幾何參數(shù)標準化，以及各種檢測元件的安裝和組合；
　　5） 材質(zhì)應(yīng)滿足流體性質(zhì)的要求，耐腐蝕，耐磨蝕，耐溫度變化；
　　6） 固有頻率在渦街信號的頻帶外。
　　已經(jīng)開發(fā)出形狀繁多的旋渦發(fā)生體，它可分為單旋渦發(fā)生體和多旋渦發(fā)生體兩類，如圖4所示。單旋渦發(fā)生體的基本形有圓柱、矩形柱和三角柱，其他形狀皆為這些基本形的變形。三角柱形旋渦發(fā)生體是應(yīng)用zui廣泛的一種，如圖5所示。圖中D為儀表口徑。為提高渦街強度和穩(wěn)定性，可采用多旋渦發(fā)生體，不過它的應(yīng)用并不普遍。

（a）單旋渦發(fā)生體

（b）雙、多旋渦發(fā)生體
圖4 旋渦發(fā)生體

圖5 三角柱旋渦發(fā)生體
d/D=0.2～0.3;c/D=0.1～0.2;
b/d=1～1.5;θ=15^o～65^o

⑵ 檢測元件

　　流量計檢測旋渦信號有5種方式。
　　1） 用設(shè)置在旋渦發(fā)生體內(nèi)的檢測元件直接檢測發(fā)生體兩側(cè)差壓；
　　2） 旋渦發(fā)生體上開設(shè)導(dǎo)壓孔，在導(dǎo)壓孔中安裝檢測元件檢測發(fā)生體兩側(cè)差壓；
　　3） 檢測旋渦發(fā)生體周圍交變環(huán)流；
　　4） 檢測旋渦發(fā)生體背面交變差壓；
　　5） 檢測尾流中旋渦列。
　　根據(jù)這5種檢測方式，采用不同的檢測技術(shù)（熱敏、超聲、應(yīng)力、應(yīng)變、電容、電磁、光電、光纖等）可以構(gòu)成不同類型的VSF，如表1所示。

表1 旋渦發(fā)生體和檢測方式一覽表

⑶ 轉(zhuǎn)換器

　　檢測元件把渦街信號轉(zhuǎn)換成電信號，該信號既微弱又含有不同成分的噪聲，必須進行放大、濾波、整形等處理才能得出與流量成比例的脈沖信號。
　　不同檢測方式應(yīng)配備不同特性的前置放大器，如表2所列。

表2 檢測方式與前置放大器

　　轉(zhuǎn)換器原理框圖如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)換器原理框圖

⑷ 儀表表體

　　儀表表體可分為夾持型和法蘭型，如圖7所示。

圖7 儀表表體

三、 優(yōu)點和局限性

1. 優(yōu)點
　　VSF結(jié)構(gòu)簡單牢固，安裝維護方便（與節(jié)流式差壓流量計相比較，無需導(dǎo)壓管和三閥組等，減少泄漏、堵塞和凍結(jié)等）。
　　適用流體種類多，如液體、氣體、蒸氣和部分混相流體。
　　度教高（與差壓式，浮子式流量計比較），一般為測量值的（ ±1%～±2%）R。
　　范圍寬度，可達10：1或20：1。
　　壓損?。s為孔板流量計1/4～1/2）。
　　輸出與流量成正比的脈沖信號，適用于總量計量，無零點漂移；
　　在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)，輸出頻率信號不受流體物性（密度，粘度）和組分的影響，即儀表系數(shù)僅與旋渦發(fā)生體及管道的形狀尺寸有關(guān)，只需在一種典型介質(zhì)中校驗而適用于各種介質(zhì)，如圖8所示。

圖8 不同測量介質(zhì)的斯特勞哈爾數(shù)

　　可根據(jù)測量對象選擇相應(yīng)的檢測方式，儀表的適應(yīng)性強。
　　VSF在各種流量計中是一種較有可能成為僅需干式校驗的流量計。

2. 局限性

　　VSF不適用于低雷諾數(shù)測量（Re_D≥2×10⁴），故在高粘度、低流速、小口徑情況下應(yīng)用受到限制。
　　旋渦分離的穩(wěn)定性受流速分布畸變及旋轉(zhuǎn)流的影響，應(yīng)根據(jù)上游側(cè)不同形式的阻流件配置足夠長的直管段或裝設(shè)流動調(diào)整器（整流器），一般可借鑒節(jié)流式差壓流量計的直管段長度要求安裝。
　　力敏檢測法VSF對管道機械振動較敏感，不宜用于強振動場所。
　　與渦輪流量計相比儀表系數(shù)較低，分辨率低，口徑愈大愈低，一般滿管式流量計用于
DN300以下。
　　儀表在脈動流、混相流中尚欠缺理論研究和實踐經(jīng)驗。