涡街流量计测量原理

横河涡街流量计测量原理

测量原理

将柱状物体插入流体中，在物体下游就会产生旋涡，一般能够产生两列旋涡。单位时间内产生的旋涡数量（称为旋涡频率）在一定条件下与流速成正比，于是就可以从旋涡频率的变化中测出流速或流量。

这种旋涡列以研究旋涡列的稳定性而著称的物理学家冯·卡门（Theodor VonKarman 美国，1881-1963，出生于匈牙利）的名字命名，称为卡门涡街。

涡街流量计便是应用了以上原理，于1970年开发的一种新式工业用流量计。此后又经过多次的技术改良，如今已经具有很强的通用性，主要用于测量液体、气体以及蒸汽的流量，在很多领域得到广泛使用。

                                    涡街流量计工作原理图

涡街流量计工作原理

如果把旋涡频率设为f，把旋涡发生体与流体迎面接触宽度设为d，把流速设为υ，则三者关系如下:

St被称为斯特劳哈尔数（Strouhal Number），是由旋涡发生体的形状和尺寸决定的无量纲参数。

当将旋涡发生体分割成适当的形状时，在广泛的雷诺数（Reynolds Number）范围内，斯特劳哈尔数（Strouhal Number）可视为常数，这样就不受流体的密度与黏度等影响，旋涡频率f就与流速υ成正比。

式（1）也适用于管道中的流体，通过测量旋涡频率f，以及管道的横截面积和流速v，可以测量流量Q。

梯形横截面旋涡发生体的斯特劳哈尔数（Strouhal Number）与雷诺数（Reynolds Number）的关系如下图所示:

结构

涡街流量计的检测部分

检测旋涡频率的工作方式有: 通过安装在旋涡发生体上的压电元件检测；测量旋涡发生体侧面交替产生的压差；使用压电元件与超声波传感器检测旋涡发生体底层的旋涡列数。

将旋涡检测用压电元件嵌入旋涡检测敏感的位置，将极性相反的噪声检测用压电元件嵌入到旋涡发生体中。在变换部分将两个元件的信号进行叠加，就可以抵消配管振动等所引发的噪声，从而获得稳定的旋涡信号。

涡街流量计的检测部分示例

涡街流量计的转换部分

两个压电元件产生的交流电荷由各充电转换器转换成交流电压。这些电压经过加法器抵消了电路振动引起的噪声，然后通过低通滤波器，进入施密特触发电路。施密特触发电路的输出就变成了与旋涡发生频率相对应的脉冲序列。这些脉冲序列通过变压器T2进入F/V转换器转换成电压后，由直流放大器与功率晶体管Q1输出4-20mA的电流。

涡街流量计的转换部分示例

超声波式

利用超声波探头检测旋涡，如下图所示，将超声波的信号发射装置和信号接收装置安装在配管的外侧，超声波在旋涡中传播，接收信号波形的位相就会发生变化。检测出该位相变化值，从而测量出不含气泡的液体的流量。

这种方式有以下几个优点:

1. 因为没有接口部分，所以不会发生泄漏。
2. 量程比在1:30左右，比差压流量计的范围大很多。
3. 即使流体在流动状态下也能够进行维护。
4. 不受振动的影响等。

超声波式旋涡检测

特点

• 与差压式流量计相比，直管段长度更短（上游zui短为10D左右，下游zui短为5D左右）。
• 与差压式流量计相比，总成本（包括安装费用）更低，压力损失也更小。
• 量程范围宽。
• 精度在指示值的±1%以内，在流量计中其精度很高。
• 测量信号与流量成比例关系。
• 温度测量范围广，能够测量从－200℃到+420℃的温度范围。
• 测量气体或蒸汽流量时，有些也可测量质量流量。
• 不适用于测量泥浆与容易凝固的流体。
• 适用于口径为1～300A的测量（注: 单位A为mm）。
• 适用于流速为0.3～10m/s的液体，流速为6～80m/s气体或蒸汽。