涡街流量计工作原理与结构

RTUG系列智能涡街流量计,主要用于工业管道介质流体的流量测量,如气体、液体、蒸气等多种介质。其特点是压力损失小,量程范围大,精度高,在测量工况体积流量时几乎不受流体密度、压力、温度、粘度等参数的影响。无可动机械零件，因此可靠性高,维护量小。仪表参数能长期稳定。本仪表采用压电应力式传感器,可靠性高,可在-20℃～ 250℃的工作温度范围内工作。有模拟标准信号,也有数字脉冲信号输出,容易与计算机等数字系统配套使用,是一种比较先进、理想的流量仪表。

当在流体中设置旋涡发生体（阻流体）时，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 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　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

管道内体积流量qv为
　　　　　　　　　　　　qv=πD²U/4=πD²mdf/4Sr 　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　K=f/qv=[πD²md/4Sr]^-1 　　　　　　　　　　　　　　　　 式中 K--流量计的仪表系数，脉冲数/m³（P/m³）。
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Re_D=2×10⁴～7×10⁶范围内，Sr可视为常数，这是仪表正常工作范围。　　 由此可见，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。

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。

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

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

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，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（Re_D≥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。

下面简介几种类型VSF。

⑴ 应力式VSF
应力式VSF应用检测方式1）～4）（见二、2.），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。
但是，它对管道振动较敏感，是其主要缺点，几年来，生产厂家做了大量工作以弥补此缺陷：如对仪表本身结构，检测位置以及信号处理等采取措施；在管道安装减震方式下功夫；向用户提供选点咨询指导等，已经取得一定的进展，当然如测量对象有较强的振动还是不用为好。

（2）电容式VSF
电容式VSF应用检测方式1）、2），安装在涡街流量传感器中的电容检测元件相当于一个悬臂梁（见图10）。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。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。虽然由于制造工艺的误差，不可能完全消除振动的影响，但大大提高了耐振性能。试验证明，其耐振性能超过1g。电容式另一个优点是可耐高温达400^oC，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，另一方面由于温度升高金属热电子发射造成电容的漏电流增大。试验证明，当温度升高至400^oC时无论电容值变化或漏电流增大都未影响仪表的基本性能。

⑶ 热敏式VSF
热敏式VSF采用检测方式2）、3），如图11所示。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。

⑷ 超声式VSF
超声式VSF采用检测方式5），如图12所示。由图可见，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。仪表有较高检测灵敏度，下限流速较低，但温度对声调制有影响，流场变化及液体中含气泡对测量影响较大，故仪表适用于温度变化小的气体和含气量微小的液体流量测量。

⑸ 振动体式VSF
　　振动体式VSF采用检测方式2），如图13所示。在旋涡发生体轴向开设圆柱形深孔，孔内放置软磁材料制作的轻质空心小球或圆盘（振动体），旋涡分离产生的差压推动振动体上下运动，位于振动体上方的电磁传感器检测出旋涡频率。它只适用于清洁度较高的流体（如蒸汽），可用于极高温（427^oC）及极低温（-268^oC），这是其特点。

⑹ 升力式涡街质量流量计
旋涡分离的同时，旋涡发生体受到流体作用的升力，升力F的大小为
　　　　　　　　　　　　　　F=C_LρU²/2 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　式中 C_L-旋涡发生体升力系数。
　　 以式（5）除以式（1），经整理后可得质量流量q_m
　　　　　　　　　　　　　　q_m=ρU(π/4)D²=πD²Sr/2C_Lmd×F/f　　　　　　　　　　　　
　　由上式可看出，质量流量q_m与升力F成正比。图14为原理框图。从压电检测元件取出旋涡信号，经电荷转换器后分两路处理：一路经有源滤波器、施密特整形器和f/V转换器，获得与流速成正比的信号；另一路经放大器、滤波器获得信号幅值与ρU²成正比的信号。这两路信号经除法器运算，获得质量流量。

该方法结构简单，但信号幅值与压电元件稳定性、放大器稳定性、现场安装条件、被测介质温度等多种因素有关，测量精确度难以提高。

⑺ 差压式涡街质量流量计
流体通过旋涡发生体，产生旋涡分离和尾流震荡，部分能量被消耗和转换，在旋涡发生体前后产生压力损失
　　　　△p=C_DρU²/2 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　式中　　 C_D-涡街流量传感器阻力系数。
　　以式（7）除式（1），经整理后得质量流量q_m
　　　　　　　　　　　　q_m=ρU(π/4)D²=(πD²Sr/2mdC_D)(△p/f) 　　　　　　　　　　　　
　　传感器输出与体积流量成正比的频率，差压单元测出旋涡发生体前后特定位置的差压△P，经计算单元计算，获得质量流量q_m。选择阻力特性和流量特性俱佳的旋涡发生体，确定取压孔位置，建立C_D的数学模型是技术关键。