渦街流量計(jì)工作原理與結(jié)構(gòu)

RTUG系列智能渦街流量計(jì),主要用于工業(yè)管道介質(zhì)流體的流量測(cè)量,如氣體、液體、蒸氣等多種介質(zhì)。其特點(diǎn)是壓力損失小,量程范圍大,精度高,在測(cè)量工況體積流量時(shí)幾乎不受流體密度、壓力、溫度、粘度等參數(shù)的影響。無(wú)可動(dòng)機(jī)械零件，因此可靠性高,維護(hù)量小。儀表參數(shù)能長(zhǎng)期穩(wěn)定。本儀表采用壓電應(yīng)力式傳感器,可靠性高,可在-20℃～+250℃的工作溫度范圍內(nèi)工作。有模擬標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),也有數(shù)字脈沖信號(hào)輸出,容易與計(jì)算機(jī)等數(shù)字系統(tǒng)配套使用,是一種比較先進(jìn)、理想的流量?jī)x表。

      當(dāng)在流體中設(shè)置旋渦發(fā)生體（阻流體）時(shí)，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(duì)稱地排列。設(shè)旋渦的發(fā)生頻率為f，被測(cè)介質(zhì)來(lái)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 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　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

      管道內(nèi)體積流量qv為

　　　　　　　　　　　　qv=πD2U/4=πD2mdf/4Sr 　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　K=f/qv=[πD2md/4Sr]-1 　　　　　　　　　　　　　　　　 式中 K--流量計(jì)的儀表系數(shù)，脈沖數(shù)/m3（P/m3）。

      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(wú)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ReD=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�！　�      由此可見，VSF輸出的脈沖頻率信號(hào)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(jì)在物料平衡及能源計(jì)量中需檢測(cè)質(zhì)量流量，這時(shí)流量計(jì)的輸出信號(hào)應(yīng)同時(shí)監(jiān)測(cè)體積流量和流體密度，流體物性和組分對(duì)流量計(jì)量還是有直接影響的。

2. 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(cè)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(hù)罩等。近年來(lái)智能式流量計(jì)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)。

（1）旋渦發(fā)生體

　　旋渦發(fā)生體是檢測(cè)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(duì)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(diǎn)，保持恒定的斯特勞哈爾數(shù)；

　　3） 能產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦街，信號(hào)的信噪比高；

　　4） 形狀和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于加工和幾何參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，以及各種檢測(cè)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(hào)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)用最廣泛的一種，如圖5所示。圖中D為儀表口徑。為提高渦街強(qiáng)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。

⑵ 檢測(cè)元件

　　流量計(jì)檢測(cè)旋渦信號(hào)有5種方式。

　　1） 用設(shè)置在旋渦發(fā)生體內(nèi)的檢測(cè)元件直接檢測(cè)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(cè)元件檢測(cè)發(fā)生體兩側(cè)差壓；

　　3） 檢測(cè)旋渦發(fā)生體周圍交變環(huán)流；

　　4） 檢測(cè)旋渦發(fā)生體背面交變差壓；

　　5） 檢測(cè)尾流中旋渦列。

　　根據(jù)這5種檢測(cè)方式，采用不同的檢測(cè)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漩渦發(fā)生體和檢測(cè)方式一覽表

⑶ 轉(zhuǎn)換器

      檢測(cè)元件把渦街信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，該信號(hào)既微弱又含有不同成分的噪聲，必須進(jìn)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(hào)。

　　不同檢測(cè)方式應(yīng)配備不同特性的前置放大器，如表2所列。

表2 檢測(cè)方式與前置放大器

三、 優(yōu)點(diǎn)和局限性

1. 優(yōu)點(diǎn)

　　VSF結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固，安裝維護(hù)方便（與節(jié)流式差壓流量計(jì)相比較，無(wú)需導(dǎo)壓管和三閥組等，減少泄漏、堵塞和凍結(jié)等）。

　　適用流體種類多，如液體、氣體、蒸氣和部分混相流體。

　　精確度教高（與差壓式，浮子式流量計(jì)比較），一般為測(cè)量值的（ ±1%～±2%）R。

　　范圍寬度，可達(dá)10：1或20：1。

　　壓損�。�約為孔板流量計(jì)1/4～1/2）。

　　輸出與流量成正比的脈沖信號(hào)，適用于總量計(jì)量，無(wú)零點(diǎn)漂移；

　　在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)，輸出頻率信號(hào)不受流體物性（密度，粘度）和組分的影響，即儀表系數(shù)僅與旋渦發(fā)生體及管道的形狀尺寸有關(guān)，只需在一種典型介質(zhì)中校驗(yàn)而適用于各種介質(zhì)，儀表的適應(yīng)性強(qiáng)。VSF在各種流量計(jì)中是一種較有可能成為僅需干式校驗(yàn)的流量計(jì)。

2. 局限性

　　VSF不適用于低雷諾數(shù)測(cè)量（ReD≥2×104），故在高粘度、低流速、小口徑情況下應(yīng)用受到限制。

　　旋渦分離的穩(wěn)定性受流速分布畸變及旋轉(zhuǎn)流的影響，應(yīng)根據(jù)上游側(cè)不同形式的阻流件配置足夠長(zhǎng)的直管段或裝設(shè)流動(dòng)調(diào)整器（整流器），一般可借鑒節(jié)流式差壓流量計(jì)的直管段長(zhǎng)度要求安裝。

　　力敏檢測(cè)法VSF對(duì)管道機(jī)械振動(dòng)較敏感，不宜用于強(qiáng)振動(dòng)場(chǎng)所。

　　與渦輪流量計(jì)相比儀表系數(shù)較低，分辨率低，口徑愈大愈低，一般滿管式流量計(jì)用于

DN300以下。

　　儀表在脈動(dòng)流、混相流中尚欠缺理論研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

四、分類與凡種類型產(chǎn)品簡(jiǎn)介

1. 分類

　　渦街流量計(jì)可按下述原則分類。

　　按傳感器連接方式分為法蘭型和夾裝型。

　　按檢測(cè)方式分為熱敏式、應(yīng)力式、電容式、應(yīng)變式、超聲式、振動(dòng)體式、光電式和光纖式等。

　　按用途分為普通型、防爆型、高溫型、耐腐型、低溫型、插入式和汽車專用型等。

　　按傳感器與轉(zhuǎn)換器組成分為一體型和分離型。

　　按測(cè)量原理分為體積流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)。

2. 幾種類型產(chǎn)品簡(jiǎn)介

　　各類渦街流量計(jì)性能比較如表3所示。

表3不同檢測(cè)方法渦街流量計(jì)比較

注∶√-較好、△-一般、×-差。

下面簡(jiǎn)介幾種類型VSF。

⑴應(yīng)力式VSF
      應(yīng)力式VSF應(yīng)用檢測(cè)方式1）～4）（見二、2.），它把檢測(cè)元件受到的升力以應(yīng)力形式作用在壓電晶體元件上，轉(zhuǎn)換成交變的電荷信號(hào)，經(jīng)電荷放大、濾波、整形后得到旋渦頻率信號(hào)。壓電傳感器響應(yīng)快、信號(hào)強(qiáng)、工藝性好、制造成本低、與測(cè)量介質(zhì)不接觸、可靠性高。儀表的工作溫度范圍寬，現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性強(qiáng)，可靠性較高，它是目前VSF的主要產(chǎn)品類型。
      但是，它對(duì)管道振動(dòng)較敏感，是其主要缺點(diǎn)，幾年來(lái)，生產(chǎn)廠家做了大量工作以彌補(bǔ)此缺陷：如對(duì)儀表本身結(jié)構(gòu)，檢測(cè)位置以及信號(hào)處理等采取措施；在管道安裝減震方式下功夫；向用戶提供選點(diǎn)咨詢指導(dǎo)等，已經(jīng)取得一定的進(jìn)展，當(dāng)然如測(cè)量對(duì)象有較強(qiáng)的振動(dòng)還是不用為好。

 

（2）電容式VSF
      電容式VSF應(yīng)用檢測(cè)方式1）、2），安裝在渦街流量傳感器中的電容檢測(cè)元件相當(dāng)于一個(gè)懸臂梁（見圖10）。當(dāng)旋渦產(chǎn)生時(shí)，在兩側(cè)形成微小的壓差，使振動(dòng)體繞支點(diǎn)產(chǎn)生微小變形，從而導(dǎo)致一個(gè)電容間隙減少（電容量增大），另一個(gè)電容間隙增大（電容量下降），通過差分電路檢測(cè)電容差值。當(dāng)管道有振動(dòng)時(shí)，不管振動(dòng)是何方向，由振動(dòng)產(chǎn)生的慣性力同時(shí)作用在振動(dòng)體及電極上，使振動(dòng)體與電極都在同方向上產(chǎn)生變形，由于設(shè)計(jì)時(shí)保證了振動(dòng)體與電極的幾何結(jié)構(gòu)與尺寸相匹配，使它們的變形量一致，差動(dòng)信號(hào)為零。這就是電容檢測(cè)元件耐振性能好的原因。雖然由于制造工藝的誤差，不可能完全消除振動(dòng)的影響，但大大提高了耐振性能。試驗(yàn)證明，其耐振性能超過1g。電容式另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可耐高溫達(dá)400^oC，溫度對(duì)電容檢測(cè)元件的影響有兩方面：溫度使電容間介電常數(shù)發(fā)生變化和電極的幾何尺寸隨溫度而變，這些導(dǎo)致電容值發(fā)生變化，另一方面由于溫度升高金屬熱電子發(fā)射造成電容的漏電流增大。試驗(yàn)證明，當(dāng)溫度升高至400^oC時(shí)無(wú)論電容值變化或漏電流增大都未影響儀表的基本性能。

⑶熱敏式VSF
      熱敏式VSF采用檢測(cè)方式2）、3），如圖11所示。旋渦分離引起局部流速變化，改變熱敏電阻阻值，恒流電路把橋路電阻變化轉(zhuǎn)換為交變電壓信號(hào)。這種儀表檢測(cè)靈敏度較高，下限流速低，對(duì)振動(dòng)不敏感，可用于清潔、無(wú)腐蝕性流體測(cè)量。

⑷超聲式VSF
      超聲式VSF采用檢測(cè)方式5），如圖12所示。由圖可見，在管壁上安裝二對(duì)超聲探頭T₁，R₁，T₂，R₂，探頭T₁，T₂發(fā)射高頻、連續(xù)聲信號(hào)，聲波橫穿流體傳播。當(dāng)旋渦通過聲束時(shí)，每一對(duì)旋轉(zhuǎn)方向相反的旋渦對(duì)聲波產(chǎn)生一個(gè)周期的調(diào)制作用，受調(diào)制聲波被接收探頭R₁，R₂轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)放大、檢波、整形后得旋渦信號(hào)。儀表有較高檢測(cè)靈敏度，下限流速較低，但溫度對(duì)聲調(diào)制有影響，流場(chǎng)變化及液體中含氣泡對(duì)測(cè)量影響較大，故儀表適用于溫度變化小的氣體和含氣量微小的液體流量測(cè)量。

⑸振動(dòng)體式VSF
　　振動(dòng)體式VSF采用檢測(cè)方式2），如圖13所示。在旋渦發(fā)生體軸向開設(shè)圓柱形深孔，孔內(nèi)放置軟磁材料制作的輕質(zhì)空心小球或圓盤（振動(dòng)體），旋渦分離產(chǎn)生的差壓推動(dòng)振動(dòng)體上下運(yùn)動(dòng)，位于振動(dòng)體上方的電磁傳感器檢測(cè)出旋渦頻率。它只適用于清潔度較高的流體（如蒸汽），可用于極高溫（427^oC）及極低溫（-268^oC），這是其特點(diǎn)。

⑹升力式渦街質(zhì)量流量計(jì)
      旋渦分離的同時(shí)，旋渦發(fā)生體受到流體作用的升力，升力F的大小為
　　　　　　　　　　　　　　F=C_LρU²/2 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　式中 C_L-旋渦發(fā)生體升力系數(shù)。
　　 以式（5）除以式（1），經(jīng)整理后可得質(zhì)量流量q_m
　　　　　　　　　　　　　　q_m=ρU(π/4)D²=πD²Sr/2C_Lmd×F/f　　　　　　　　　　　　
　　由上式可看出，質(zhì)量流量q_m與升力F成正比。圖14為原理框圖。從壓電檢測(cè)元件取出旋渦信號(hào)，經(jīng)電荷轉(zhuǎn)換器后分兩路處理：一路經(jīng)有源濾波器、施密特整形器和f/V轉(zhuǎn)換器，獲得與流速成正比的信號(hào)；另一路經(jīng)放大器、濾波器獲得信號(hào)幅值與ρU²成正比的信號(hào)。這兩路信號(hào)經(jīng)除法器運(yùn)算，獲得質(zhì)量流量。

      該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但信號(hào)幅值與壓電元件穩(wěn)定性、放大器穩(wěn)定性、現(xiàn)場(chǎng)安裝條件、被測(cè)介質(zhì)溫度等多種因素有關(guān)，測(cè)量精確度難以提高。

⑺差壓式渦街質(zhì)量流量計(jì)
      流體通過旋渦發(fā)生體，產(chǎn)生旋渦分離和尾流震蕩，部分能量被消耗和轉(zhuǎn)換，在旋渦發(fā)生體前后產(chǎn)生壓力損失
　　　　△p=C_DρU²/2 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　式中　　 C_D-渦街流量傳感器阻力系數(shù)。
　　以式（7）除式（1），經(jīng)整理后得質(zhì)量流量q_m
　　　　　　　　　　　　q_m=ρU(π/4)D²=(πD²Sr/2mdC_D)(△p/f) 　　　　　　　　　　　　
　　傳感器輸出與體積流量成正比的頻率，差壓?jiǎn)卧獪y(cè)出旋渦發(fā)生體前后特定位置的差壓△P，經(jīng)計(jì)算單元計(jì)算，獲得質(zhì)量流量q_m。選擇阻力特性和流量特性俱佳的旋渦發(fā)生體，確定取壓孔位置，建立C_D的數(shù)學(xué)模型是技術(shù)關(guān)鍵。

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