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一、流量计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。涡街流量计外形图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。1.1涡街流量计简介涡街流量汁（以下简称VSF或流量计）是在流体中安放一根（或多根）非流线型阻流体（bluffbody），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。二、工作原理与结构2.1涡街基本原理流体流经阻挡体或者是特制的元件时，产生了流动振荡，通过测定其振荡频率来反映通过的流量。2.2涡街产生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，如图所示。旋涡列在旋涡发生体下游非对称地排列，涡列的形成与流体雷诺数有关。卡曼涡街根据卡曼涡街原理，有如下关系式dvSft涡列频率斯特罗哈数涡列发生体两侧流体的平均流速涡列发生体迎流面的最大宽度tvSdfAvAq涡列发生体两侧的流通截面积A=πD2/4-----管道圆形面积体积流量斯特罗哈数St主要与漩涡发生体的形状和雷诺数有关，形状确定后，在一定雷诺数范围内St为常数。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1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。图1：斯特劳哈尔数与雷诺数关系曲线流体流经柱体时，速度上升，压力下降（节流），在圆柱体后速度下降，压力上升。当ReD60时，附面层分离，产生旋向相反，且交替出现的旋涡，当涡街宽度h/相邻旋涡间距l=0.2806时，涡街达到稳定。由图1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。2.3涡街结构VSF由传感器和转换器两部分组成，如图2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2涡街流量计2.3.1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、安装和组合；⑤材质应满足流体性质的要求，耐腐蚀，耐磨蚀，耐温变；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3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。图3三角柱旋涡发生体d/D=0.2～0.3;c/D=0.1～0.2;b/d=1～1.5;θ=15o～65o图4单旋涡发生体和多旋涡发生体2.3.2检测元件流量计检测旋涡信号一般有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。旋涡发生体和检测方式一览表旋涡频率检测方法，大致分为两类：一类是检测旋涡发生时流速变化，采用的元件有热丝、热敏电阻、超声波探头等；另一类是检测旋涡发生时压力变化，采用的检测元件有压电元件、应变元件、膜片+压电、膜片+电容等。热敏检测元件灵敏度高，适用于较低温度（小于200度）和较低密度的气体测量。但因热敏电阻用玻璃封装，较脆弱，故易受污物、有害物质等影响。压电元件耐脏，应用较广。但抗震性较差、信噪比较低，如测低密度、低流速气体，环境振动较大就不宜选用。在常温下，压电陶瓷是绝缘的，阻抗为10~100兆欧。如300度高温，阻抗会降到1兆欧，输出信号变小，导致系统低频性恶化，不利于测量。检测元件检测方法举例：圆柱发声体检出部分的轴向两侧开并列的偶数导压孔，导压孔与检测棒内的空腔相通。空腔内有隔墙，把空腔分隔成二部分，在隔墙中，装有通电流的铂电阻丝。当圆柱检测棒的侧后方产生旋涡时，有旋涡的一边静压大于无旋涡的一边，于是通过导压孔引起空腔内流体的移动，使得热电阻丝冷却而改变阻值，在通过电桥输出电信号。三角柱检测器正面用低温玻璃封装的两只热敏电阻为电桥的桥臂，它由恒流源供给的微弱电流予以加热。流体在检测器两侧交替产生旋涡，产生旋涡的一侧，流速较大，致使靠近这一侧的热敏电阻温度降低而阻值升高，造成电桥不平衡，从而输出与旋涡产生的频率一致的交变电压信号。热电阻法（P脉动）：把圆柱做成空心，中间放入一个加热的电阻丝，在隔板层开几个导压孔，当一侧产生涡列时，P变化（脉动），另一侧未变，所以流体经过导压孔突然流过电阻丝，使之冷却，温度降低，电阻减小，另一侧再产生涡列时，流体反而再次冷却，电阻减小，测出电阻下降的次数就可以推出频率f。物质在1秒内完成周期性变化的次数叫做频率，常用f表示。频率是50Hz,也就是一秒钟内做了50次周期性变化。什么是频率？什么是雷诺数？简介：雷诺数（Reynoldsnumber）一种可用来表征流体流动情况的无量纲数，以Re表示，Re=ρvd/η，其中v、ρ、η分别为流体的流速、密度与黏性系数，d为一特征长度。例如流体流过圆形管道，则d为管道直径。利用雷诺数可区分流体的流动是层流或湍流，也可用来确定物体在流体中流动所受到的阻力。例如，对于小球在流体中的流动，当Re比“1”小得多时，其阻力f=6πrηv（称为斯托克斯公式），当Re比“1”大得多时，f′=0.2πr2v2而与η无关。研究：雷诺数是流体力学中表征粘性影响的相似准数。为纪念O.雷诺而命名，记作Re。Re=ρvL/μ，ρ、μ为流体密度和动力粘度，v、L为流场的特征速度和特征长度。对外流问题，v、L一般取远前方来流速度和物体主要尺寸(如机翼弦长或圆球直径)；内流问题则取通道内平均流速和通道直径。雷诺数表示作用于流体微团的惯性力与粘性力[1]之比。两个几何相似流场的雷诺数相等，则对应微团的惯性力与粘性力之比相等。雷诺数越小意味着粘性力影响越显著，越大则惯性力影响越显著。雷诺数很小的流动（如润滑膜内的流动），其粘性影响遍及全流场。雷诺数很大的流动（如一般飞行器绕流），其粘性影响仅在物面附近的边界层或尾迹中才是重要的。在涉及粘性影响的流体力学实验中，雷诺数是主要的相似准数。但很多模型实验的雷诺数远小于实物的雷诺数，因此研究修正方法和发展高雷诺数实验设备是流体力学实验研究的重要课题。计算：测量管内流体流量时往往必须了解其流动状态、流速分布等。雷诺数就是表征流体流动特性的一个重要参数。流体流动时的惯性力Fg和粘性力(内摩擦力)Fm之比称为雷诺数。用符号Re表示。Re是一个无因次量。雷诺数小，意味着流体流动时各质点间的粘性力占主要地位，流体各质点平行于管路内壁有规则地流动，呈层流流动状态。雷诺数大，意味着惯性力占主要地位，流体呈紊流（也称湍流）流动状态，一般管道雷诺数Re2300为层流状态，Re4000为紊流状态，Re=2300～4000为过渡状态。在不同的流动状态下，流体的运动规律．流速的分布等都是不同的，因而管道内流体的平均流速υ与最大流速υmax的比值也是不同的。因此雷诺数的大小决定了粘性流体的流动特性。外部条件几何相似时(几何相似的管子，流体流过几何相似的物体等)，若它们的雷诺数相等，则流体流动状态也是几何相似的(流体动力学相似)。这一相似规律正是流量测量节流装置标准化的基础。热敏电阻法（灵敏度高）：在三角柱体的迎流面上对称的嵌入两个热敏电阻，热敏电阻中通入恒定的电流，使之温度在流体静止的情况下比流体高出10℃左右。未起漩时，流体的温度相同，交替旋转时，发生漩涡的一侧，能量损失，因此流速降低，此侧对电阻的冷却作用下降，可以产生一个脉冲。电磁检测法：旋涡发生体后设置一个信号电极，并使电极处于一个磁感应强度为B的永久磁场中，流体旋涡的振动使电极同频率振动，切割磁力线产生感应电动势。特点：不怕管道振动，刚刚兴起的涡街频率检测方法。2.3.3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。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不同检测方式应配备不同特性的前置放大器，如表1所列。表1检测方式与前置放大器图5转换器原理框图2.3.4仪表本体仪表表体可分为夹持型和法兰型，如图6所示。图6仪表表体Rosemount涡街缩径型双头型法兰型夹持型分体型多参数型三、优点与局限性3.1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7所示。图7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。3.2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