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1、涡街流量计一、流量计概述在特定的流动条件下，一部分流体动能转化为流体振动，其振动频率与流速（流量）有确定的比例关系，依据这种原理工作的流量计称为流体振动流量计。目前流体振动流量计有三类：涡街流量计、旋进（旋涡进动）流量计和射流流量计。涡街流量计外形图流体振动流量计具有以下一些特点：1）输出为脉冲频率，其频率与被测流体的实际体积流量成正比，它不受流体组分、密度、压力、温度的影响；2）测量范围宽，一般范围度可达10：1以上；3）精确度为中上水平；4）无可动部件，可靠性高；5）结构简单牢固，安装方便，维护费较低；6）应用范围广泛，可适用液体、气体和蒸气。1.1涡街流量计简介涡街流量汁（以下简称VSF
2、流量计）是在流体中安放一根（或多根）非流线型阻流体（bluffbody），流体在阻流体两侧交替地分离释放出两串规则的旋涡，在一定的流量范围内旋涡分离频率正比于管道内的平均流速，通过采用各种形式的检测元件测出旋涡频率就可以推算出流体的流量。早在1878年斯特劳哈尔（Strouhal）就发表了关于流体振动频率与流速关系的文章，斯特劳哈尔数就是表示旋涡频率与阻流体特征尺寸，流速关系的相似准则。人们早期对涡街的研究主要是防灾的目的，如锅炉及换热器钢管固有频率与流体涡街频率合拍将产生共振而破坏设备。涡街流体振动现象用于测量研究始于20世纪50年代，如风速计和船速计等。60年代末开始研制封闭管道流量计-涡
3、街流量计，诞生了热丝检测法及热敏检测法VSF。70、80年代涡街流量计发展异常迅速，开发出众多类型阻流体及检测法的涡街流量计，并大量生产投放市场，像这样在短短几年时间内就达到从实验室样机到批量生产过程的流量计还绝无仅有。我国VSF的生产亦有飞速发展，全国生产厂达数十家，这种生产热潮国外亦未曾有过。应该看到，VSF尚属发展中的流量计，无论其理论基础或实践经验尚较差。至今最基本的流量方程经常引用卡曼涡街理论，而此理论及其一些定量关系是卡曼在气体风洞（均匀流场）中实验得出的，它与封闭管道中具有三维不均匀流场其旋涡分离的规律是不一样的。至于实践经验更是需要通过长期应用才能积累。一般流量计出厂校验是在实
4、验室参考条件下进行的，在现场偏离这些条件不可避免。工作条件的偏离到底会带来多大的附加误差至今在标准及生产厂资料中尚不明确。这些都说明流量计的迅速发展需求基础研究工作必须跟上，否则在实用中经常会出现一些预料不到的问题，这就是用户对VSF存在一些疑虑的原因，它亟需探索解决。二、工作原理与结构2.1涡街基本原理流体流经阻挡体或者是特制的元件时，产生了流动振荡，通过测定其振荡频率来反映通过的流量。2.2涡街产生原理在流体中设置旋涡发生体（阻流体），从旋涡发生体两侧交替地产生有规则的旋涡，这种旋涡称为卡曼涡街，如图所示。旋涡列在旋涡发生体下游非对称地排列，涡列的形成与流体雷诺数有关。卡卡曼曼涡涡街街 根
5、据卡曼涡街原理，有如下关系式涡列频率斯特罗哈数涡列发生体两侧流体的平均流速涡列发生体迎流面的最大宽度涡列发生体两侧的流通截面积A=D2/4-管道圆形面积 体积流量斯特罗哈数St主要与漩涡发生体的形状和雷诺数有关，形状确定后，在一定雷诺数范围内St为常数。斯特劳哈尔数为无量纲参数，它与旋涡发生体形状及雷诺数有关，图1所示为圆柱状旋涡发生体的斯特劳哈尔数与管道雷诺数的关系图。图1：斯特劳哈尔数与雷诺数关系曲线流体流经柱体时，速度上升，压力下降（节流），在圆柱体后速度下降，压力上升。当ReD60时，附面层分离，产生旋向相反，且交替出现的旋涡，当涡街宽度h/相邻旋涡间距l=0.2806时，涡街达到稳定
6、。由图1可见，在ReD=21047106范围内，Sr可视为常数，这是仪表正常工作范围。2.3涡街结构VSF由传感器和转换器两部分组成，如图2所示。传感器包括旋涡发生体（阻流体）、检测元件、仪表表体等；转换器包括前置放大器、滤波整形电路、DA转换电路、输出接口电路、端子、支架和防护罩等。近年来智能式流量计还把微处理器、显示通讯及其他功能模块亦装在转换器内。图2 涡街流量计旋涡发生体旋涡发生体是检测器的主要部件，它与仪表的流量特性（仪表系数、线性度、范围度等）和阻力特性（压力损失）密切相关，对它的要求如下。能控制旋涡在旋涡发生体轴线方向上同步分离；在较宽的雷诺数范围内，有稳定的旋涡分离点，保持恒定
7、的斯特劳哈尔数；能产生强烈的涡街，信号的信噪比高；形状和结构简单，便于加工、安装和组合；材质应满足流体性质的要求，耐腐蚀，耐磨蚀，耐温变；固有频率在涡街信号的频带外。n已经开发出形状繁多的旋涡发生体，它可分为单旋涡发生体和多旋涡发生体两类，如图4所示。n单旋涡发生体的基本形有圆柱、矩形柱和三角柱，其他形状皆为这些基本形的变形。n三角柱形旋涡发生体是应用最广泛的一种，如图3所示。图中D为仪表口径。n为提高涡街强度和稳定性，可采用多旋涡发生体，不过它的应用并不普遍。图3三角柱旋涡发生体d/D=0.20.3;c/D=0.10.2;b/d=11.5;=15o65o图4单旋涡发生体和多旋涡发生体检测元件
8、流量计检测旋涡信号一般有5种方式。1）用设置在旋涡发生体内的检测元件直接检测发生体两侧差压；2）旋涡发生体上开设导压孔，在导压孔中安装检测元件检测发生体两侧差压；3）检测旋涡发生体周围交变环流；4）检测旋涡发生体背面交变差压；5）检测尾流中旋涡列。根据这5种检测方式，采用不同的检测技术（热敏、超声、应力、应变、电容、电磁、光电、光纤等）可以构成不同类型的VSF。旋涡发生体和检测方式一览表旋涡频率检测方法，大致分为两类：一类是检测旋涡发生时流速变化，采用的元件有热丝、热敏电阻、超声波探头等；另一类是检测旋涡发生时压力变化，采用的检测元件有压电元件、应变元件、膜片+压电、膜片+电容等。热敏检测元件
9、灵敏度高，适用于较低温度（小于200度）和较低密度的气体测量。但因热敏电阻用玻璃封装，较脆弱，故易受污物、有害物质等影响。压电元件耐脏，应用较广。但抗震性较差、信噪比较低，如测低密度、低流速气体，环境振动较大就不宜选用。在常温下，压电陶瓷是绝缘的，阻抗为10100兆欧。如300度高温，阻抗会降到1兆欧，输出信号变小，导致系统低频性恶化，不利于测量。检测元件检测方法举例：圆柱发声体检出部分的轴向两侧开并列的偶数导压孔，导压孔与检测棒内的空腔相通。空腔内有隔墙，把空腔分隔成二部分，在隔墙中，装有通电流的铂电阻丝。当圆柱检测棒的侧后方产生旋涡时，有旋涡的一边静压大于无旋涡的一边，于是通过导压孔引起空
10、腔内流体的移动，使得热电阻丝冷却而改变阻值，在通过电桥输出电信号。三角柱检测器正面用低温玻璃封装的两只热敏电阻为电桥的桥臂，它由恒流源供给的微弱电流予以加热。流体在检测器两侧交替产生旋涡，产生旋涡的一侧，流速较大，致使靠近这一侧的热敏电阻温度降低而阻值升高，造成电桥不平衡，从而输出与旋涡产生的频率一致的交变电压信号。热电阻法（热电阻法（P脉动）：脉动）：把圆柱做成空心，中间放入一个加热的电阻丝，在隔板层开几个导压孔，当一侧产生涡列时，P变化（脉动），另一侧未变，所以流体经过导压孔突然流过电阻丝，使之冷却，温度降低，电阻减小，另一侧再产生涡列时，流体反而再次冷却，电阻减小，测出电阻下降的次数就可
11、以推出频率f。物质在1秒内完成周期性变化的次数叫做频率，常用f表示。频率是50Hz,也就是一秒钟内做了50次周期性变化。什么是频率？什么是雷诺数？简介：v雷诺数（Reynoldsnumber）一种可用来表征流体流动情况的无量纲数，以Re表示，Re=vd/，其中v、分别为流体的流速、密度与黏性系数，d为一特征长度。v例如流体流过圆形管道，则d为管道直径。利用雷诺数可区分流体的流动是层流或湍流，也可用来确定物体在流体中流动所受到的阻力。v例如，对于小球在流体中的流动，当Re比“1”小得多时，其阻力f=6rv（称为斯托克斯公式），当Re比“1”大得多时，f=0.2r2v2而与无关。u雷诺数表示作用于
12、流体微团的惯性力与粘性力1之比。两个几何相似流场的雷诺数相等，则对应微团的惯性力与粘性力之比相等。u雷诺数越小意味着粘性力影响越显著，越大则惯性力影响越显著。u雷诺数很小的流动（如润滑膜内的流动），其粘性影响遍及全流场。雷诺数很大的流动（如一般飞行器绕流），其粘性影响仅在物面附近的边界层或尾迹中才是重要的。u在涉及粘性影响的流体力学实验中，雷诺数是主要的相似准数。但很多模型实验的雷诺数远小于实物的雷诺数，因此研究修正方法和发展高雷诺数实验设备是流体力学实验研究的重要课题。热敏电阻法（灵敏度高）：热敏电阻法（灵敏度高）： 在三角柱体的迎流面上对称的嵌入两个热敏电阻，热敏电阻中通入恒定的电流，使之
13、温度在流体静止的情况下比流体高出10左右。未起漩时，流体的温度相同，交替旋转时，发生漩涡的一侧，能量损失，因此流速降低，此侧对电阻的冷却作用下降，可以产生一个脉冲。电磁检测法：电磁检测法：旋涡发生体后设置一个信号电极，并使电极处于一个磁感应强度为B的永久磁场中，流体旋涡的振动使电极同频率振动，切割磁力线产生感应电动势。特点：不怕管道振动，刚刚兴起的涡街频率检测方法。转换器检测元件把涡街信号转换成电信号，该信号既微弱又含有不同成分的噪声，必须进行放大、滤波、整形等处理才能得出与流量成比例的脉冲信号。检测方法热敏式超声式应变式应力式电容式光电式电磁式前置放大器 恒流放大器 选频放大器 恒流放大器
14、电荷放大器调谐-振动放大器光电放大器 低频放大器不同检测方式应配备不同特性的前置放大器，如表1所列。表1检测方式与前置放大器图5转换器原理框图仪表本体仪表表体可分为夹持型和法兰型，如图6所示。图6仪表表体Rosemount涡街缩径型缩径型双头型双头型法兰型法兰型夹持型夹持型分体型分体型多参数型多参数型29三、优点与局限性3.1优点VSF结构简单牢固，安装维护方便（与节流式差压流量计相比较，无需导压管和三阀组等，减少泄漏、堵塞和冻结等）。适用流体种类多，如液体、气体、蒸气和部分混相流体。精确度教高（与差压式，浮子式流量计比较），一般为测量值的（1%2%）R。范围宽度，可达10：1或20：1。压损
15、小（约为孔板流量计1/41/2）。输出与流量成正比的脉冲信号，适用于总量计量，无零点漂移；在一定雷诺数范围内，输出频率信号不受流体物性（密度，粘度）和组分的影响，即仪表系数仅与旋涡发生体及管道的形状尺寸有关，只需在一种典型介质中校验而适用于各种介质，如图7所示。图7不同测量介质的斯特劳哈尔数可根据测量对象选择相应的检测方式，仪表的适应性强。VSF在各种流量计中是一种较有可能成为仅需干式校验的流量计。3.2局限性VSF不适用于低雷诺数测量（ReD2104），故在高粘度、低流速、小口径情况下应用受到限制。旋涡分离的稳定性受流速分布畸变及旋转流的影响，应根据上游侧不同形式的阻流件配置足够长的直管段或
16、装设流动调整器（整流器），一般可借鉴节流式差压流量计的直管段长度要求安装。力敏检测法VSF对管道机械振动较敏感，不宜用于强振动场所。与涡轮流量计相比仪表系数较低，分辨率低，口径愈大愈低，一般满管式流量计用于DN300以下。仪表在脉动流、混相流中尚欠缺理论研究和实践经验。3.3不同检测方法涡街流量计比较名 称检测变化量检测技术口径/mm介质温度/oC范围度雷诺数范围简单程度牢固程度灵敏度耐热性耐振性耐污能力应用范围检测原理检测元件热敏式涡街流量计流速变化加热体冷却热敏元件25200-196+2051530104106清洁、无腐蚀液体、气体超声式涡街流量计声束被调制超声换能器25150-15+17
17、5303103106小口径液体、气体电容式涡街流量计压力变 化压差作用压差检测膜片/电容15300-200+40030104106液体、气体、蒸汽应力式涡街流量计压差检测膜片/压电片50200-18+20516104106液体、气体、蒸汽振动体式涡街流量计压差检测圆盘/电磁50200-268-4810305103106极低温液态气体棱球/电磁-40+427高温蒸汽光电式涡街流量计压差检测反射镜/光电元件4080-10+50403103105低压常温气体应变式涡街流量计升力作用应变检测应变元件50150-40120151043106液体应力式涡街流量计应力检测压电元件15300-40+40010
18、201047106液体、气体、蒸汽应力式VSF它把检测元件受到的升力以应力形式作用在压电晶体元件上，转换成交变的电荷信号，经电荷放大、滤波、整形后得到旋涡频率信号。压电传感器响应快、信号强、工艺性好、制造成本低、与测量介质不接触、可靠性高。仪表的工作温度范围宽，现场适应性强，可靠性较高，它是目前VSF的主要产品类型。图8应力式涡街流量计1-表头组；2-三角柱；3-表体；4-联轴；5-压板；6-探头；7-密封垫；8-接头；9-密封垫圈；10-螺栓；11-销；12-铭牌；13-圆螺母；14-支架；15-螺栓它对管道振动较敏感，是其主要缺点电容式VSF安装在涡街流量传感器中的电容检测元件相当于一个悬
19、臂梁（见图9）。当旋涡产生时，在两侧形成微小的压差，使振动体绕支点产生微小变形，从而导致一个电容间隙减少（电容量增大），另一个电容间隙增大（电容量下降），通过差分电路检测电容差值。图9电容式检测元件当管道有振动时，不管振动是何方向，由振动产生的惯性力同时作用在振动体及电极上，使振动体与电极都在同方向上产生变形，由于设计时保证了振动体与电极的几何结构与尺寸相匹配，使它们的变形量一致，差动信号为零。这就是电容检测元件耐振性能好的原因。电容式另一个优点是可耐高温达400oC，温度对电容检测元件的影响有两方面：温度使电容间介电常数发生变化和电极的几何尺寸随温度而变，这些导致电容值发生变化，另一方面由于
20、温度升高金属热电子发射造成电容的漏电流增大。热敏式VSF旋涡分离引起局部流速变化，改变热敏电阻阻值，恒流电路把桥路电阻变化转换为交变电压信号。这种仪表检测灵敏度较高，下限流速低，对振动不敏感，可用于清洁、无腐蚀性流体测量。图10热敏式涡街流量计R11，R12-热敏电阻超声式VSF 在管壁上安装二对超声探头T1，R1，T2，R2，探头T1，T2发射高频、连续声信号，声波横穿流体传播。当旋涡通过声束时，每一对旋转方向相反的旋涡对声波产生一个周期的调制作用，受调制声波被接收探头R1，R2转换成电信号，经放大、检波、整形后得旋涡信号。图11超声式涡街流量传感器 仪表有较高检测灵敏度，下限流速较低，仪表
21、适用于温度变化小的气体和含气量微小的液体流量测量。四、安装使用注意事项涡街流量计对管道涡街流量计对管道流速分布畸变、旋转流和流动脉动流速分布畸变、旋转流和流动脉动等等敏感，对现场管道安装条件应充分重视，遵照生产厂使用说敏感，对现场管道安装条件应充分重视，遵照生产厂使用说明书的要求执行。明书的要求执行。 涡街流量计可安装在室内或室外。如果安装在地井里，涡街流量计可安装在室内或室外。如果安装在地井里，有水淹的可能，要选用涎水型传感器。有水淹的可能，要选用涎水型传感器。 传感器在管道上可以水平、垂直或倾斜安装，但测量液传感器在管道上可以水平、垂直或倾斜安装，但测量液体和气体时为防止气泡和液滴的干扰，
22、安装位置要注意体和气体时为防止气泡和液滴的干扰，安装位置要注意 。4.1安装混混相相流流体体的的安安装装涡街流量计对上、下游直管段长度的要求涡街流量计对上、下游直管段长度的要求4.2使用注意事项（1）现场安装完毕通电和通流前的检查 主管和旁通管上各法兰、阀门、测压、测温孔及接头应无渗漏现象； 管道振动情况是否符合说明书规定； 传感器安装是否正确，各部分电气连接是否良好。（2）接通电源静态调试在通电不通流时转换器应无输出，瞬时流量指示为零，累积流量无变化，否则首先检查是否因信号线屏蔽或接地不良，或管道震动强烈而引入干扰信号。如确认不是上述原因时，可调整转换器内电位器，降低放大器增益或提高整形电路
23、触发电平，直至输出为零。（3）通流动态调试关旁通阀，打开上下游阀门，流动稳定后转换器输出连续的脉宽均匀的脉冲，流量指示稳定无跳变，调阀门开度，输出随之改变。否则应细致检查并调整电位器直至仪表输出既无误触发又无漏脉冲为止。五、涡街流量计的常见故障处理(1)新安装或新检修好的涡街流量计安装在现场管道上后，在开表过程中有时显示仪表无指示。这往往是管道内无流量或流量很小，致使速度V=0或很小，在传感器内无旋涡产生。也可能是由于传感器内的检测放大器灵敏度调得太低。如果管道内未吹净的焊渣、铁屑等杂物卡在探头与内壁之间，使探头不振动，也会引起一次表无指示。(2)管道内无流体流动，但显示仪表有流量显示。这是由
24、于仪表接地不良，引入了外部干扰引起的;也可能是由于灵敏度调得太高所致。实践证明，灵敏度不能调得太高，否则会引起流量偏高或指示波动;调得太低，显示仪表又无指示。一般应在无流量和无外界干扰时，使显示仪表指零即可。(3)管道内有强烈的机械振动，也会使显示仪表有指示，而工业生产的现场管道常常受动力设备的影响而发生振动，这种振动所形成的噪声干扰，对涡街流量计仪表的准确检测是非常有害的，严重时会导致仪表无法正常工作。涡街流量计最怕大范围的波动冲击，更怕介质中夹杂的焊渣、石块等硬物的冲击，这些都会使噪声信号增大，以致影响测量精度。(4)涡街传感器的探头与内壁只有很小的距离，极易被沙粒、污物堵住，使振动源不能振动，仪表指零。此时如用外力敲击几下一次表的壳体，有时会把探头与内壁之间的污物振掉，使仪表恢复指示。有时二次表指示偏低且迟缓，是有污物堵在了探头与内壁之间，但未堵死，此时可旋动丝杠，使振动源旋转180，即把振动源倒过来，让流体反冲一下振动源，有时会解决问题。(5)有时一送电，仪表就指示某一刻度，且不管怎样调整灵敏度电位器，也总不变化，这往往是一次表内部某元件损坏所致。
