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渦街流量計工作原理與結構
 

渦 街 流 量 計

一、 概 述

  在特定的流動條件下,一部分流體動能轉化為流體振動,其振動頻率與流速(流量)有確定的比例關系,依據這種原理工作的流量計稱為流體振動流量計。目前流體振動流量計有三類:渦街流量計、旋進(旋渦進動)流量計和射流流量計。流體振動流量計具有以下一些特點:
  1)輸出為脈沖頻率,其頻率與被測流體的實際體積流量成正比,它不受流體組分、密度、壓力、溫度的影響;
  2)測量范圍寬,一般范圍度可達10:1以上;
  3)精確度為中上水平;
  4)無可動部件,可靠性高;
  5)結構簡單牢固,安裝方便,維護費較低;
  6)應用范圍廣泛,可適用液體、氣體和蒸氣。
  本文僅介紹渦街流量汁(以下簡稱VSF或流量計)。
  VSF是在流體中安放一根(或多根)非流線型阻流體(bluff body),流體在阻流體兩側交替地分離釋放出兩串規則的旋渦,在一定的流量范圍內旋渦分離頻率正比于管道內的平均流速,通過采用各種形式的檢測元件測出旋渦頻率就可以推算出流體的流量。
  早在1878年斯特勞哈爾(Strouhal)就發表了關于流體振動頻率與流速關系的文章,斯特勞哈爾數就是表示旋渦頻率與阻流體特征尺寸,流速關系的相似準則。人們早期對渦街的研究主要是防災的目的,如鍋爐及換熱器鋼管固有頻率與流體渦街頻率合拍將產生共振而破壞設備。渦街流體振動現象用于測量研究始于20世紀50年代,如風速計和船速計等。60年代末開始研制封閉管道流量計--渦街流量計,誕生了熱絲檢測法及熱敏檢測法VSF。70、80年代渦街流量計發展異常迅速,開發出眾多類型阻流體及檢測法的渦街流量計,并大量生產投放市場,像這樣在短短幾年時間內就達到從實驗室樣機到批量生產過程的流量計還絕無僅有。
  我國VSF的生產亦有飛速發展,全國生產廠達數十家,這種生產熱潮國外亦未曾有過。應該看到,VSF尚屬發展中的流量計,無論其理論基礎或實踐經驗尚較差。至今最基本的流量方程經常引用卡曼渦街理論,而此理論及其一些定量關系是卡曼在氣體風洞(均勻流場)中實驗得出的,它與封閉管道中具有三維不均勻流場其旋渦分離的規律是不一樣的。至于實踐經驗更是需要通過長期應用才能積累。一般流量計出廠校驗是在實驗室參考條件下進行的,在現場偏離這些條件不可避免。工作條件的偏離到底會帶來多大的附加誤差至今在標準及生產廠資料中尚不明確。這些都說明流量計的迅速發展需求基礎研究工作必須跟上,否則在實用中經常會出現一些預料不到的問題,這就是用戶對VSF存在一些疑慮的原因,它亟需探索解決。
  VSF已躋身通用流量計之列,無論國內外皆已開發出多品種。全系列、規格齊全的產品,對于標準化工作亦很重視,流量計存在一些問題是發展中的正常現象。

二、工作原理與結構

1. 工作原理

  在流體中設置旋渦發生體(阻流體),從旋渦發生體兩側交替地產生有規則的旋渦,這種旋渦稱為卡曼渦街,如圖1所示。旋渦列在旋渦發生體下游非對稱地排列。設旋渦的發生頻率為f,被測介質來流的平均速度為U,旋渦發生體迎面寬度為d,表體通徑為D,根據卡曼渦街原理,有如下關系式
              f=SrU1/d=SrU/md                     (1)
式中  U1--旋渦發生體兩側平均流速,m/s;
    Sr--斯特勞哈爾數;
    m--旋渦發生體兩側弓形面積與管道橫截面面積之比
        


圖1 卡曼渦街


  管道內體積流量qv為
            qv=πD2U/4=πD2mdf/4Sr                 (2)
            K=f/qv=[πD2md/4Sr]-1                  (3)
式中 K--流量計的儀表系數,脈沖數/m3(P/m3)。
  K除與旋渦發生體、管道的幾何尺寸有關外,還與斯特勞哈爾數有關。斯特勞哈爾數為無量綱參數,它與旋渦發生體形狀及雷諾數有關,圖2所示為圓柱狀旋渦發生體的斯特勞哈爾數與管道雷諾數的關系圖。由圖可見,在ReD=2×104~7×106范圍內,Sr可視為常數,這是儀表正常工作范圍。當測量氣體流量時,VSF的流量計算式為
                           (4)


圖2 斯特勞哈爾數與雷諾數關系曲線

式中 qVn,qV--分別為標準狀態下(0oC或20oC,101.325kPa)和工況下的體積流量,m3/h;
   Pn,P--分別為標準狀態下和工況下的絕對壓力,Pa;
   Tn,T--分別為標準狀態下和工況下的熱力學溫度,K;
   Zn,Z--分別為標準狀態下和工況下氣體壓縮系數。
  由上式可見,VSF輸出的脈沖頻率信號不受流體物性和組分變化的影響,即儀表系數在一定雷諾數范圍內僅與旋渦發生體及管道的形狀尺寸等有關。但是作為流量計在物料平衡及能源計量中需檢測質量流量,這時流量計的輸出信號應同時監測體積流量和流體密度,流體物性和組分對流量計量還是有直接影響的。

2. 結構

  VSF由傳感器和轉換器兩部分組成,如圖3所示。傳感器包括旋渦發生體(阻流體)、檢測元件、儀表表體等;轉換器包括前置放大器、濾波整形電路、D/A轉換電路、輸出接口電路、端子、支架和防護罩等。近年來智能式流量計還把微處理器、顯示通訊及其他功能模塊亦裝在轉換器內。


圖3 渦街流量計

(1)旋渦發生體

  旋渦發生體是檢測器的主要部件,它與儀表的流量特性(儀表系數、線性度、范圍度等)和阻力特性(壓力損失)密切相關,對它的要求如下。
  1) 能控制旋渦在旋渦發生體軸線方向上同步分離;
  2) 在較寬的雷諾數范圍內,有穩定的旋渦分離點,保持恒定的斯特勞哈爾數;
  3) 能產生強烈的渦街,信號的信噪比高;
  4) 形狀和結構簡單,便于加工和幾何參數標準化,以及各種檢測元件的安裝和組合;
  5) 材質應滿足流體性質的要求,耐腐蝕,耐磨蝕,耐溫度變化;
  6) 固有頻率在渦街信號的頻帶外。
  已經開發出形狀繁多的旋渦發生體,它可分為單旋渦發生體和多旋渦發生體兩類,如圖4所示。單旋渦發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。三角柱形旋渦發生體是應用最廣泛的一種,如圖5所示。圖中D為儀表口徑。為提高渦街強度和穩定性,可采用多旋渦發生體,不過它的應用并不普遍。


(a)單旋渦發生體

(b)雙、多旋渦發生體
圖4 旋渦發生體


圖5 三角柱旋渦發生體
d/D=0.2~0.3;c/D=0.1~0.2;
b/d=1~1.5;θ=15o~65o

⑵ 檢測元件

  流量計檢測旋渦信號有5種方式。
  1) 用設置在旋渦發生體內的檢測元件直接檢測發生體兩側差壓;
  2) 旋渦發生體上開設導壓孔,在導壓孔中安裝檢測元件檢測發生體兩側差壓;
  3) 檢測旋渦發生體周圍交變環流;
  4) 檢測旋渦發生體背面交變差壓;
  5) 檢測尾流中旋渦列。
  根據這5種檢測方式,采用不同的檢測技術(熱敏、超聲、應力、應變、電容、電磁、光電、光纖等)可以構成不同類型的VSF,如表1所示。

表1 旋渦發生體和檢測方式一覽表

序號
旋渦發生體截面形狀
傳感器
序號
旋渦發生體截面形狀
傳感器
檢測方式
檢測元件
檢測方式
檢測元件
1
方式 5)
超聲波束
9
方式 2)
反射鏡/光電元件
2
方式 2)

方式 3)
方式 5)
方式 1)
懸臂梁/電容,懸臂梁/壓電片
熱敏元件
超聲波束
應變元件
10
方式 5)
膜片/壓電元件
11
方式 3)
扭力管/壓電元件
3
方式 1)
方式 2)
壓電元件
壓電元件
12
方式 4)
扭力管/壓電元件
4
方式 1)
方式 2)
方式 2)
膜片/電容
熱敏元件
振動體/電磁傳感器
13
方式 4)
振動片/光纖傳感器
14
方式 5)
超聲波束
5
方式 1)
膜片/靜態電容
15
方式 2)
應變元件
6
方式 1)
磁致伸縮元件
16
方式 1)
壓電元件
7
方式 1)
膜片/壓電元件
17
方式 4)
應變元件
8
方式 2)
熱敏元件
18
方式 5)
超聲波束

⑶ 轉換器

  檢測元件把渦街信號轉換成電信號,該信號既微弱又含有不同成分的噪聲,必須進行放大、濾波、整形等處理才能得出與流量成比例的脈沖信號。
  不同檢測方式應配備不同特性的前置放大器,如表2所列。

表2 檢測方式與前置放大器

檢測方法
熱敏式
超聲式
應變式
應力式
電容式
光電式
電磁式
前置放大器
恒流放大器
選頻放大器
恒流放大器
電荷放大器
調諧-振動放大器
光電放大器
低頻放大器

  轉換器原理框圖如圖6所示。


圖6 轉換器原理框圖

⑷ 儀表表體

  儀表表體可分為夾持型和法蘭型,如圖7所示。

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