涡街流量计工作原理与结构

涡街流量计工作原理与结构涡街流量计工作原理与结构 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 ⑵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 旋涡发 传感器 号 生体截 检测方 检测元件 面形状 式 1 2 方式5) 超声波束 序 旋涡发传感器 号 生体截 检测方检测元件 面形状 式 9 方式 5)膜片/压电元件 方式 3)扭力管/压电元件 方式 2)反射镜/光电元件 方式2) 悬臂梁/电容，悬臂梁/压 10 方式3) 电片 方式5) 热敏元件 方式1) 超声波束 11 应变元件 3方式1) 压电元件 方式2) 压电元件 方式1) 膜片/电容 方式2) 热敏元件 方式2) 振动体/电磁传感器 12方式 4)扭力管/压电元件 方式 4)振动片/光纤传感器 方式 5)超声波束 413 14 5 6 7 方式1) 膜片/静态电容15方式 2)应变元件 方式 1)压电元件 方式 4)应变元件 方式 5)超声波束 方式1) 磁致伸缩元件16 方式1) 膜片/压电元件17 8方式2) 热敏元件18 ⑶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 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 恒流放选频放恒流放电荷放低频放 前置放大器大器大器大器大器调谐-振动放大器 光电放大器大器 转换器原理框图如图 6 所示。 图 6 转换器原理框图 ⑷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