橫河渦街流量計測量原理

測量原理

將柱狀物體插入流體中，在物體下游就會產(chǎn)生旋渦，一般能夠產(chǎn)生兩列旋渦。單位時間內(nèi)產(chǎn)生的旋渦數(shù)量（稱為旋渦頻率）在一定條件下與流速成正比，于是就可以從旋渦頻率的變化中測出流速或流量。

這種旋渦列以研究旋渦列的穩(wěn)定性而著稱的物理學(xué)家馮·卡門（Theodor VonKarman 美國，1881-1963，出生于匈牙利）的名字命名，稱為卡門渦街。

渦街流量計便是應(yīng)用了以上原理，于1970年開發(fā)的一種新式工業(yè)用流量計。此后又經(jīng)過多次的技術(shù)改良，如今已經(jīng)具有很強(qiáng)的通用性，主要用于測量液體、氣體以及蒸汽的流量，在很多領(lǐng)域得到廣泛使用。

                                    渦街流量計工作原理圖

渦街流量計工作原理

如果把旋渦頻率設(shè)為f，把旋渦發(fā)生體與流體迎面接觸寬度設(shè)為d，把流速設(shè)為υ，則三者關(guān)系如下:

St被稱為斯特勞哈爾數(shù)（Strouhal Number），是由旋渦發(fā)生體的形狀和尺寸決定的無量綱參數(shù)。

當(dāng)將旋渦發(fā)生體分割成適當(dāng)?shù)男螤顣r，在廣泛的雷諾數(shù)（Reynolds Number）范圍內(nèi)，斯特勞哈爾數(shù)（Strouhal Number）可視為常數(shù)，這樣就不受流體的密度與黏度等影響，旋渦頻率f就與流速υ成正比。

式（1）也適用于管道中的流體，通過測量旋渦頻率f，以及管道的橫截面積和流速v，可以測量流量Q。

梯形橫截面旋渦發(fā)生體的斯特勞哈爾數(shù)（Strouhal Number）與雷諾數(shù)（Reynolds Number）的關(guān)系如下圖所示:

結(jié)構(gòu)

渦街流量計的檢測部分

檢測旋渦頻率的工作方式有: 通過安裝在旋渦發(fā)生體上的壓電元件檢測；測量旋渦發(fā)生體側(cè)面交替產(chǎn)生的壓差；使用壓電元件與超聲波傳感器檢測旋渦發(fā)生體底層的旋渦列數(shù)。

將旋渦檢測用壓電元件嵌入旋渦檢測敏感的位置，將極性相反的噪聲檢測用壓電元件嵌入到旋渦發(fā)生體中。在變換部分將兩個元件的信號進(jìn)行疊加，就可以抵消配管振動等所引發(fā)的噪聲，從而獲得穩(wěn)定的旋渦信號。

渦街流量計的檢測部分示例

渦街流量計的轉(zhuǎn)換部分

兩個壓電元件產(chǎn)生的交流電荷由各充電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成交流電壓。這些電壓經(jīng)過加法器抵消了電路振動引起的噪聲，然后通過低通濾波器，進(jìn)入施密特觸發(fā)電路。施密特觸發(fā)電路的輸出就變成了與旋渦發(fā)生頻率相對應(yīng)的脈沖序列。這些脈沖序列通過變壓器T2進(jìn)入F/V轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電壓后，由直流放大器與功率晶體管Q1輸出4-20mA的電流。

渦街流量計的轉(zhuǎn)換部分示例

超聲波式

利用超聲波探頭檢測旋渦，如下圖所示，將超聲波的信號發(fā)射裝置和信號接收裝置安裝在配管的外側(cè)，超聲波在旋渦中傳播，接收信號波形的位相就會發(fā)生變化。檢測出該位相變化值，從而測量出不含氣泡的液體的流量。

這種方式有以下幾個優(yōu)點(diǎn):

1. 因?yàn)闆]有接口部分，所以不會發(fā)生泄漏。
2. 量程比在1:30左右，比差壓流量計的范圍大很多。
3. 即使流體在流動狀態(tài)下也能夠進(jìn)行維護(hù)。
4. 不受振動的影響等。

超聲波式旋渦檢測

特點(diǎn)

• 與差壓式流量計相比，直管段長度更短（上游zui短為10D左右，下游zui短為5D左右）。
• 與差壓式流量計相比，總成本（包括安裝費(fèi)用）更低，壓力損失也更小。
• 量程范圍寬。
• 精度在指示值的±1%以內(nèi)，在流量計中其精度很高。
• 測量信號與流量成比例關(guān)系。
• 溫度測量范圍廣，能夠測量從－200℃到+420℃的溫度范圍。
• 測量氣體或蒸汽流量時，有些也可測量質(zhì)量流量。
• 不適用于測量泥漿與容易凝固的流體。
• 適用于口徑為1～300A的測量（注: 單位A為mm）。
• 適用于流速為0.3～10m/s的液體，流速為6～80m/s氣體或蒸汽。