涡街流量计原理及概述

在特定的流动条件下，一部分流体动能转化为流体振动，其振动频率与流速（流量）有确定的比例关系，依据这种原理工作的流量计称为流体振动流量计。目前流体振动流量计有三类：涡街流量计、旋进（旋涡进动）流量计和射流流量计。流体振动流量计具有以下一些特点：　　1）输出为脉冲频率，其频率与被测流体的实际体积流量成正比，它不受流体组分、密度、压力、温度的影响；　　2）测量范围宽，一般范围度可达10：1以上；　　3）精确度为中上水平；　　4）无可动部件，可靠性高；　　5）结构简单牢固，安装方便，维护费较低； 　　6）应用范围广泛，可适用液体、气体和蒸气。　　本文仅介绍涡街流量汁（以下简称VSF或流量计）。　　VSF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VSF。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VSF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，VSF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VSF存在一些疑虑的原因，它亟需探索解决。 　　VSF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 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 序号 旋涡发生体截面形状 传感器 序号 旋涡发生体截面形状 传感器 检测方式 检测元件 检测方式 检测元件 1 方式 5) 超声波束 9 方式 2) 反射镜/光电元件 2 方式 2)方式 3)方式 5)方式 1) 悬臂梁/电容，悬臂梁/压电片热敏元件超声波束 应变元件 10 方式 5) 膜片/压电元件 11 方式 3) 扭力管/压电元件 3 方式 1)方式 2) 压电元件压电元件 12 方式 4) 扭力管/压电元件 4 方式 1)方式 2)方式 2) 膜片/电容热敏元件振动体/电磁传感器 13 方式 4) 振动片/光纤传感器 14 方式 5) 超声波束 5 方式 1) 膜片/静态电容 15 方式 2) 应变元件 6 方式 1) 磁致伸缩元件 16 方式 1) 压电元件 7 方式 1) 膜片/压电元件 17 方式 4) 应变元件 8 方式 2) 热敏元件 18 方式 5) 超声波束 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。 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 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，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。　　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（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 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 流速变化 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 压力变 化 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VSF。　　⑴ 应力式VSF　　如图9所示，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。 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。 图10 电容式检测元件 　　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。 图11 热敏式涡街流量计R11，R12-热敏电阻 　　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。 图12 超声式涡街流量传感器 　　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（427oC）及极低温（-268oC），这是其特点。 图13 振动体式涡街流量计 　　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。 图14 升力式涡街质量流量计原理框图 　　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。 图15 差压式涡街质量流量计 五、选用考虑要点 1. 应用概况　　VSF自20世纪70年代在工业上应用以来，由于它具有一些突出的特点，受到用户欢迎，并得到迅速发展。像它这样开发只有20多年即已跻身通用流量计之列，在流量计中是少有的。由于应用时间短，无论理论研究或实践经验都比较薄弱，不免出现一些问题，这是不足为怪的。多年实践证明，VSF的选用（选型和使用）是用好流量计的关键环节，因此仪表制造厂应加强售前服务，即帮助用户选型，并在安装投用上给予指导。只要抓住这一环节，该流量计不失为一种性能不错的流量计。　　20世纪90年代中后期世界范围内VSF在流量仪表总量中，台数约占3%～5%，每年5万～6万台，金额占4%～6%；在我国销售台数约占流量仪表总量（不包括家用燃气表和水 表及玻璃管浮子流量计）的6%～8%，每年1．5万～2万台。2. VSF的口径选择　　VSF的仪表口径及规格选择很重要，它类似于差压流量计节流装置的设计计算，要遵循一些原则进行选择。仪表口径选择步骤如下。　　首先必须明确以下工作参数。　　1）流体名称，组分；　　2）工作状态的最大、常用、最小流量；　　3）最高、常用、最低工作压力和工作温度； 　　4）工作状态介质的粘度。　　VSF的输出信号是与工作状态的体积流量成正比的，因此如已知气体流量是标准状态体积流量或质量流量时，应把它换算成工作状态下的体积流量qv　　　　　　　　　　　　　　qv=qn(pnTZ/pTnZn) m3／h 　　　　　　　　　　　　　　　　（9）式中 qv，qn－－分别为工作状态和标准状态下的体积流量，m3／h；　　 P，Pn－－分别为工作状态和标准状态下的绝对压力，Pa；　　 T，Tn－－分别为工作状态和标准状态下的热力学温度，K；　　 Z，Zn－－分别为工作状态和标准状态下的气体压缩系数。 　　工作状态下介质的密度ρ和体积流量qv　　　　　　　　　　ρ=ρn(pTnZn/ pnTZ) 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(10)式中　　ρ，ρn－－分别为工作状态和标准状态下的介质密度，kg/m3；　　其余符号同上。 　　　　　　　　　　　　　　qv =qm／ρ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（11）式中 qm－－质量流量，kg/h。　　下面需要选择传感器口径。传感器口径选择主要是对流量下限值进行核算。它应该满足 两个条件：最小雷诺数不应低于界限雷诺数（ReC＝2×104）和对于应力式VSF在下限流量 时旋涡强度应大于传感器旋涡强度的允许值（旋涡强度与升力ρU2成比例关系），对于液体还应检查最小工作压力是否高于工作温度下的饱和蒸气压，即是否会产生气穴现象。　　这些条件用数学式可表示如下(12-14)　　　　　　　　　　　　　　式中 qVmin，qV0min－－分别为工作状态和校准状态下的最小体积流量，m3/h；　　（qVmin）ρ－－满足旋涡强度要求时最小体积流量，m3/h；　　（qVmin）υ－－满足最小雷诺数要求时最小体积流量，m3/h；　　ρ，ρ0－－分别为工作状态和校准状态下介质的密度，kg/m3；　　υ，υ0－－分别为工作状态和校准状态下介质的运动粘度，m2/s；　　Pmin－－最小工作压力，Pa； 　　△p－－最大流量时传感器的压力损失，Pa，　　　　　　　　　　△p=CD（ρU2/2），CD≈2　　U－－管道平均流速，m／s； 　　PV－－工作温度下液体的饱和蒸气压，Pa。 　　比较（qVmin）ρ，和（qVmin）υ： 　　若（qVmin）υ≥（qVmin）ρ，可测流量范围为（qVmin）ρ～qVmax，线性范围为（qVmin）υ～qVmax； 　　若（qVmin）υ＜（qVmin）ρ，可测流量范围和线性范围为（qVmin）ρ～qVmax。　　流量测量范围的确定还应检查是否处于仪表的最佳工作范围（即上限流量的1/2～2/3处）。表4示有某型号涡街流量计特定校准条件下各种口径的流量测量范围。 表4 某型号涡街流量计特定校准条件下流量测量范围 口径DN/mm 液体/(m3/h) 气体/(m3/h) 标准测量范围 可选测量范围 标准测量范围 可选测量范围 20 1.2～12 1～15 6～50 5～77 25 1.6～16 1.6～18 8～60 8～120 40 2～30 2～48 18～180 18～310 50 3～50 3～70 30～300 30～480 80 15～150 10～170 70～700 70～1230 100 20～200 15～270 100～1000 100～1920 125 36～360 25～450 150～1500 140～3000 150 50～500 40～630 200～2000 200～4000 200 100～1000 80～1200 400～4000 320～8000 250 150～1500 120～1800 600～6000 550～11000 300 200～2000 180～2500 1000～10000 800～18000 注：校准条件如下： 　　1．液体：常温水，t=20℃，ρ=998.2kg/m3，υ=1.006×10-6m2/s。　　2．气体：常温常压空气，t=20℃，P=0.1MPa（绝），ρ=1.205 kg/m3，υ=15×10-6 m2/s。　　根据上述原则选择的仪表口径不－定与管道通径相一致，如不同时应连接异形管并配置一段必要的直管段长度。　　【例1】空气流量测量　　 ⑴ 已知条件　　 最大流量：2000m3/h（20℃,101.325kPa）　　 最小流量：300m3/h（20℃，101.325kPa） 　　 管道内径：80mm 　　 工作压力：0.5MPa（绝）