涡街流量计介绍

摘  要： 涡街流量计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。本文对涡街流量计的结构及原理和优缺点做了详尽的介绍。

关键字： 涡街流量计 旋进旋涡流量计 射流流量计

一、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。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。

　   本文仅介绍涡街流量汁（以下简称VSF或流量计）。

  　 VSF是在流体中安放一根（或多根）非流线型阻流体（bluff body），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。

 　 VSF已跻身通用流量计之列，无论国内外皆已开发出多品种。全系列、规格齐全的产品，对于标准化工作亦很重视，流量计存在一些问题是发展中的正常现象。

      二、工作原理与结构

      1. 工作原理

      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1所示。旋涡列在旋涡发生体下游非对称地排列。设旋涡的发生频率为f，被测介质来流的平均速度为U，旋涡发生体迎面宽度为d，表体通径为D，根据卡曼涡街原理，有如下关系式

　　　　　　 f=SrU1/d=SrU/md 　　　　　　　　（1）

      式中
      U1--旋涡发生体两侧平均流速，m/s；
      Sr--斯特劳哈尔数；
      m--旋涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比

图1 卡曼涡街

管道内体积流量qv为

　　 qv=πD2U/4=πD2mdf/4Sr 　　　　          　　　　　　　(2)

　　  K=f/qv=[πD2md/4Sr]-1 　　　 　　          　　　　　　 (3)

式中 K--流量计的仪表系数，脉冲数/m3（P/m³）。

      K除与旋涡发生体、管道的几何尺寸有关外，还与斯特劳哈尔数有关。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2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。由图可见，在ReD=2×104～7×106范围内，Sr可视为常数，这是仪表正常工作范围。当测量气体流量时，VSF的流量计算式为

　　 　　　　　　　　　                　(4)

图2 斯特劳哈尔数与雷诺数关系曲线

式中 qVn，qV--分别为标准状态下（0oC或20oC，101.325kPa）和工况下的体积流量，m³/h；
　　 Pn，P--分别为标准状态下和工况下的绝对压力，Pa；
　　 Tn，T--分别为标准状态下和工况下的热力学温度，K；
　　 Zn，Z--分别为标准状态下和工况下气体压缩系数。

  　 由上式可见，VSF输出的脉冲频率信号不受流体物性和组分变化的影响，即仪表系数在一定雷诺数范围内仅与旋涡发生体及管道的形状尺寸等有关。但是作为流量计在物料平衡及能源计量中需检测质量流量，这时流量计的输出信号应同时监测体积流量和流体密度，流体物性和组分对流量计量还是有直接影响的。

      2. 结构

      VSF由传感器和转换器两部分组成，如图3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、D/A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3 涡街流量计

      （1）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。

　　 1）能控制旋涡在旋涡发生体轴线方向上同步分离；
　　 2）在较宽的雷诺数范围内，有稳定的旋涡分离点，保持恒定的斯特劳哈尔数；
　　 3）能产生强烈的涡街，信号的信噪比高；
　　 4）形状和结构简单，便于加工和几何参数标准化，以及各种检测元件的安装和组合；
　　 5）材质应满足流体性质的要求，耐腐蚀，耐磨蚀，耐温度变化；
　　 6）固有频率在涡街信号的频带外。

 　 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。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。三角柱形旋涡发生体是应用最广泛的一种，如图5所示。图中D为仪表口径。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。

（a）单旋涡发生体

（b）双、多旋涡发生体

图4 旋涡发生体

图5 三角柱旋涡发生体
d/D=0.2～0.3;        
c/D=0.1～0.2;        
b/d=1～1.5;          
θ=15o～65o          

     （2）检测元件

      流量计检测旋涡信号有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，如表1所示。

表1 旋涡发生体和检测方式一览表 

序号	旋涡发生体 截面形状	传感器		序号	旋涡发生体 截面形状	传感器
		检测方式	检测元件			检测方式	检测元件
1		方式 5)	超声波束	9		方式 2)	反射镜/光电元件
2		方式 2) 方式 3) 方式 5) 方式 1)	悬臂梁/电容，悬臂梁/压电片 热敏元件 超声波束 应变元件	10		方式 5)	膜片/压电元件
				11		方式 3)	扭力管/压电元件
3		方式 1) 方式 2)	压电元件 压电元件	12		方式 4)	扭力管/压电元件
4		方式 1) 方式 2) 方式 2)	膜片/电容 热敏元件 振动体/电磁传感器	13		方式 4)	振动片/光纤传感器
				14		方式 5)	超声波束
5		方式 1)	膜片/静态电容	15		方式 2)	应变元件
6		方式 1)	磁致伸缩元件	16		方式 1)	压电元件
7		方式 1)	膜片/压电元件	17		方式 4)	应变元件
8		方式 2)	热敏元件	18		方式 5)	超声波束

      （3）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。

      不同检测方式应配备不同特性的前置放大器，如表2所列。

表2 检测方式与前置放大器  

      转换器原理框图如图6所示。

 

图6 转换器原理框图

      （4）仪表表体

      仪表表体可分为夹持型和法兰型，如图7所示。

图7 仪表表体

      三、优点和局限性

      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。
      压损小（约为孔板流量计1/4～1/2）。
      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8所示。

图8 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。

      2. 局限性

      VSF不适用于低雷诺数测量（ReD≥2×104），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。

      四、分类与凡种类型产品简介

      1. 分类

      涡街流量计可按下述原则分类。
      按传感器连接方式分为法兰型和夹装型。
      按检测方式分为热敏式、应力式、电容式、应变式、超声式、振动体式、光电式和光纤式等。
      按用途分为普通型、防爆型、高温型、耐腐型、低温型、插入式和汽车专用型等。
      按传感器与转换器组成分为一体型和分离型。
      按测量原理分为体积流量计、质量流量计。

      2. 几种类型产品简介

      各类涡街流量计性能比较如表3所示。

表3 不同检测方法涡街流量计比较 

注∶√-较好、△-一般、×-差。