今天小编为大家介绍的是涡街流量计，这是一款高精密的流量计计量仪表，可以用来检测多种介质，被广泛的应用于工业生产中的各个领域。
一、概 述
涡街流量计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涡街流量计。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。
我国涡街流量计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，涡街流量计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，这就是用户对涡街流量计存在一些疑虑的原因，它亟需探索解决。
涡街流量计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
2.1. 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
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，涡街流量计的流量计算式为
由上式可见，涡街流量计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。
2.2. 结构
涡街流量计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。
（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涡街流量计，如表1所示。
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 |
|
前置放大器 |
恒流放大器 |
选频放大器 |
恒流放大器 |
电荷放大器 |
调谐-振动放大器 |
光电放大器 |
低频放大器 |
转换器原理框图如图6所示。
仪表表体可分为夹持型和法兰型，如图7所示。
三、优点和局限性
3.1. 优点
涡街流量计结构简单牢固，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。
涡街流量计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
涡街流量计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。
力敏检测法涡街流量计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
4.1. 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。
4.2. 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
|
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 |
加热体冷却 |
热敏元件 |
25～200 |
-196～+205 |
15～30 |
104～106 |
△ |
√ |
√ |
× |
√ |
× |
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 |
25～150 |
-15～+175 |
30 |
3×103～106 |
× |
△ |
√ |
△ |
√ |
√ |
小口径液体、气体 |
||
|
电容式涡街流量计 |
压 |
压差作用 |
压差检测 |
膜片/电容 |
15～300 |
-200～+400 |
30 |
104～106 |
× |
△ |
√ |
√ |
△ |
△ |
液体、气体、蒸汽 |
|
应力式涡街流量计 |
压差检测 |
膜片/压电片 |
50～200 |
-18～+205 |
16 |
104～106 |
× |
△ |
√ |
√ |
× |
√ |
液体、气体、蒸汽 |
||
|
振动体式涡街流量计 |
压差检测 |
圆盘/电磁 |
50～200 |
-268～-48 |
10～30 |
5×103～106 |
√ |
× |
△ |
√ |
× |
× |
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 |
40～80 |
-10～+50 |
40 |
3×103～105 |
√ |
△ |
√ |
× |
× |
× |
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 |
50～150 |
-40～120 |
15 |
104～3×106 |
△ |
√ |
× |
△ |
△ |
√ |
液体 |
|
|
应力式涡街流量计 |
应力检测 |
压电元件 |
15～300 |
-40～+400 |
10～20 |
104～7×106 |
√ |
√ |
√ |
√ |
× |
√ |
液体、气体、蒸汽 |
||
注∶√-较好、△-一般、×-差
以下简介几种类型涡街流量计。
⑴ 应力式涡街流量计
如图9所示，应力式涡街流量计应用检测方式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，它是目前涡街流量计的主要产品类型。
图9 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
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）电容式涡街流量计
电容式涡街流量计应用检测方式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400oC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 热敏式涡街流量计
热敏式涡街流量计采用检测方式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 超声式涡街流量计
超声式涡街流量计采用检测方式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 振动体式涡街流量计
振动体式涡街流量计采用检测方式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（427oC）及极低温（-268oC），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=CLρU2/2 （5）
式中 CL-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qm
qm=ρU(π/4)D2=πD2Sr/2CLmd×F/f （6）
由式（6）可看出，质量流量qm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=CDρU2/2 （7）
式中 CD-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qm
qm=ρU(π/4)D2=(πD2Sr/2mdCD)(△p/f) （8）
图15示为差压式涡街质量流量计原理框图，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qm。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CD的数学模型是技术关键。
五、安装使用注意事项
5.1. 安装注意事项
涡街流量计属于对管道流速分布畸变、旋转流和流动脉动等敏感的流量计，因此，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。
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。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，安装位置要注意，如图16所示。
（a） 测量含液体的气体流量仪表安装；
（b） 测量含气液体流量仪表安装
涡街流量计必须保证上、下游直管段有必要的长度，如图17所示。在各种资料中数据有差异，其原因可能是，旋涡发生体尚未标准化，形状尺寸的差异有多少影响尚待验证；对各类阻流件必要的直管段长度试验研究尚不够，即还不成熟，对比节流式差压流量计，这方面工作还处于初始阶段。
（a）一个90o弯头；（b）同心扩管；（c）同心收缩全开阀门；（d）不同平面两个90o弯头；
（e）调节阀半开阀门；（f）同一平面两个90o弯头
传感器与管道的连接如图18所示。在与管道连接时要注意以下问题。
1） 上、下游配管内径D与传感器内径D`相同，其差异满足下述条件：0.95D≤D`≤1.1D。
2） 配管应与传感器同心，同轴度应小于0.05D`。
3） 密封垫不能凸入管道内，其内径可比传感器内径大1～2mm。
4） 如需断流检查与清洗传感器，应设置旁通管道如图19所示。
5） 减小振动对涡街流量计的影响应该作为涡街流量计现场安装的一个突出问题来关注。首先在选择传感器安装场所时尽量注意避开振动源。其次采用弹性软管连接在小口径中可以考虑。第三，加装管道支撑物是有效的减振方法，一种管道支撑方法如图20所示。
成套安装，包括前后直管段，流动调整器等是保证获得高精确度测量的一个措施，特别这些装配在制造厂进行更能保证安装的质量，图21所示为一安装实例。
电气安装应注意传感器与转换器之间采用屏蔽电缆或低噪声电缆连接，其距离不应超过使用说明书的规定。布线时应远离强功率电源线，尽量用单独金属套管保护。应遵循"一点接地"原则，接地电阻应小于10Ω。整体型和分离型都应在传感器侧接地，转换器外壳接地点应与传感器"同地"。
六、标准和检定规程
虽然涡街流量计在通用流量计中是很年轻的流量计，我国早在80年代就制订了涡街流量计专业标准（ZBN 12008-89）和检定规程JJG 620-89，说明它受到行业的重视。专业标准于1998年进行了修订，改变为JB/T 9249-1999。检定规程则与其他速度式流量计的坚定规程合并为一个新的检定规程JJG 198-94，不过由于新规程包括了众多种类速度式流量计（达8种之多！），在规定中涡街流量计的一些特点就难以照顾到了，因此感觉有的规定不具体或完全没有规定，执行起来有些困难。JJG 620-89还有一定参考价值。
国外对涡街流量计标准制订亦很重视，90年代初国际标准化组织（ISO）即成立起草工作组起草涡街流量计国际标准，1993年提出委员会草案（ISO/CD 12764），至1997年颁布为技术报告（ISO/TR 12764：1997）。由于种种原因ISO把不宜作为国际标准的一些文件列为技术报告，例如得不到足够支持率的文件，技术尚在发展还不够成熟或作为参考资料提供等等，看来涡街流量计文件还不够成熟暂时尚不能作为国际标准发布。工业发达国家如美、日皆制订有涡街流量计国家标准（ASME/ANSI MFC-6M-1987和JIS Z8766-1989）。
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