渦街流量計的工作原理

一、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                  (2)

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。當測量氣體流量時，VSF的流量計算式為

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。

二、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。

d/D=0.2～0.3;c/D=0.1～0.2;

b/d=1～1.5;θ=15o～65o

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

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。⑶ 轉(zhuǎn)換器

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。

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、安裝注意事項

VSF屬于對管道流速分布畸變、旋轉(zhuǎn)流和流動脈動等敏感的流量計，因此，對現(xiàn)場管道安裝條件應(yīng)充分重視，遵照生產(chǎn)廠使用說明書的要求執(zhí)行。

VSF可安裝在室內(nèi)或室外。如果安裝在地井里，有水淹的可能，要選用涎水型傳感器。傳感器在管道上可以水平、垂直或傾斜安裝，但測量液體和氣體時為防止氣泡和液滴的干擾，安裝位置要注意，如圖16所示。

圖16 混相流體的安裝

（a） 測量含液體的氣體流量儀表安裝；

（b） 測量含氣液體流量儀表安裝

VSF必須保證上、下游直管段有必要的長度，如圖17所示。在各種資料中數(shù)據(jù)有差異，其原因可能是，旋渦發(fā)生體尚未標準化，形狀尺寸的差異有多少影響尚待驗證；對各類阻流件必要的直管段長度試驗研究尚不夠，即還不成熟，對比節(jié)流式差壓流量計，這方面工作還處于初始階段。

圖17 渦街流量計對上、下游直管段長度的要求

（a）一個90^o彎頭；（b）同心擴管；（c）同心收縮全開閥門；（d）不同平面兩個90^o彎頭；

（e）調(diào)節(jié)閥半開閥門；（f）同一平面兩個90^o彎頭

傳感器與管道的連接如圖18所示。在與管道連接時要注意以下問題。

圖18 傳感器與管道的連接

1）上、下游配管內(nèi)徑D與傳感器內(nèi)徑D`相同，其差異滿足下述條件：0.95D≤D`≤1.1D。

2）配管應(yīng)與傳感器同心，同軸度應(yīng)小于0.05D`。

3）密封墊不能凸入管道內(nèi)，其內(nèi)徑可比傳感器內(nèi)徑大1～2mm。

4）如需斷流檢查與清洗傳感器，應(yīng)設(shè)置旁通管道如圖19所示。

圖19 旁通管道示意圖

5）減小振動對VSF的影響應(yīng)該作為VSF現(xiàn)場安裝的一個突出問題來關(guān)注。首先在選擇傳感器安裝場所時盡量注意避開振動源。其次采用彈性軟管連接在小口徑中可以考慮。第三，加裝管道支撐物是有效的減振方法，一種管道支撐方法如圖20所示。

圖20 安裝管道支持舉例

成套安裝，包括前后直管段，流動調(diào)整器等是保證獲得高精確度測量的一個措施，特別這些裝配在制造廠進行更能保證安裝的質(zhì)量，圖21所示為一安裝實例。

圖21 高精度測量的配管安裝

電氣安裝應(yīng)注意傳感器與轉(zhuǎn)換器之間采用屏蔽電纜或低噪聲電纜連接，其距離不應(yīng)超過使用說明書的規(guī)定。布線時應(yīng)遠離強功率電源線，盡量用單獨金屬套管保護。應(yīng)遵循"一點接地"原則，接地電阻應(yīng)小于10Ω。整體型和分離型都應(yīng)在傳感器側(cè)接地，轉(zhuǎn)換器外殼接地點應(yīng)與傳感器"同地"。

四、故障現(xiàn)象及處理