不依赖序号的涡街流量计测量原理与应用

涡街流量计是20世纪70年代发展起来的依据流体振荡原理工作的流量计。该仪表分成卡门涡街和旋进式两大类。前者是利用自然振荡的卡门涡街原理，而后者是利用强迫振荡的漩涡旋进原理。目前前者应用广泛，因此这里只介绍卡门涡街。

涡街流量计由涡街传感器和转换电路组成。传感器的核心是漩涡发生体和漩涡检测器。

1.涡街流量计的工作原理

1875年斯特劳哈尔（Strouhal）用实验方法测量出了流体振动周期与流速的关系，1912年德国流体力学家冯.卡曼（Von.Karman）找到了这种漩涡稳定的定量关系。在管道中垂直于流体流向放置一个非线性柱体（漩涡发生体），当流体流量增大到一定程度以后，流体在漩涡发生体两侧交替产生两列规则排列的漩涡，如图3-81所示。两列漩涡的旋转方向相反，且从发生体上分离出来，平行但不对称，这两列漩涡被称为卡门涡街（也称涡街）。由于漩涡之间的相互作用，它们一般是不稳定的。设同列漩涡之间的距离为l，两涡列间距为h，当满足sh（h×π/l）=1时，则涡列稳定，其中sh为双曲函数。从上述稳定判据中可进一步计算出h×l=0.281为涡列稳定的条件。实验也证明对于圆柱形发生体h×l=0.282涡街最稳定，与理论分析基本一致。单列漩涡的频率与流体的流速有如下公式

式中，v₁为漩涡发生体两侧的平均流速（m/s）；d为漩涡发生体迎流面的最大宽度（m）；S_r为斯特劳哈尔数，无量纲，流体产生漩涡的相似准则数。

图3-81 漩涡产生的原理

S_r主要与漩涡发生体的形状和雷诺数有关。在发生体的几何形状确定后和一定的雷诺数范围内，S_r为常数。

流体的连续性方程是

S₁v₁=Sv （3-101）

式中，S₁为漩涡发生体两侧流通面积（m²）；S为管道流通面积（m²）；v为管道内流体的平均流速（m/s）。

设流通面积比为m，则，即，代入式（3-100）后，则得

对于直径为D的管道，流体的体积流量q_V为

式（3-103）说明，当管道内径和漩涡发生体的几何形状与尺寸都已确定及雷诺数为Re_D≥10⁴，且为常数时，则q_V与f成正比。可见测出漩涡的频率就可知体积流量。它与流体的物理参数如温度、压力、黏度、密度有关。

式（3-103）可写成

q_V=f/K （3-104）

式中，K称为仪表常数，其含义是输出频率与流量之比，即(www.xing528.com)

2.涡街流量计的结构

涡街流量计的结构如图3-82所示。下半部是涡街流量传感器，上半部是转换电路。流量传感器主要由漩涡发生体和流体振动检测器组成。被测流体流经漩涡发生体产生有规则的漩涡，漩涡产生交替变化的升力通过检测器转换成交替变化的频率送给转换电路，经转换电路输出所需频率信号或标准电流信号。

（1）漩涡发生体

漩涡发生体是涡街流量计的核心部件。由相似定理证明得：在几何相似的涡街体系中，只要保持流体动力学相似（即雷诺数相等），则S_r必然相等。漩涡发生体的形状和尺寸对涡街流量计的性能有决定性的作用。

图3-82 涡街流量计的结构

由表3-8的介绍可知，三角柱和梯形柱漩涡发生体的优点很多，故上述两种形状的发生体使用最多。

表3-8 几种常见的漩涡发生体的形状和特点

（2）频率检测器

流体漩涡频率的检测是测量的关键。频率检测的出发点是检测器安装方便、耐高温高压。由于发生体多样化，则漩涡频率检测的方法也多种多样。总的可分为两大类：一类是检测漩涡产生的局部压力变化；另一类是检测漩涡产生的局部流速变化。检测器的分类见表3-9。

各种检测元件和不同的发生体相组合；可组成各具特色的涡街流量计。这是涡街流量计的最显著的特色。频率检测器（元件）可以安装在漩涡发生体内部或其外部，通过一定方式，检测出由于产生漩涡而使流体周期性地交替振动，或检测出作用在漩涡发生体上的升力的交替变化频率。

表3-9 频率检测一览表

3.涡街流量计的特点与安装注意事项

涡街流量计的特点为：结构简单牢固，安装维护方便，与节流式差压流量计相比较，不需要导压管和三阀组等，减少了泄露、堵塞和冻结的概率；适用流体种类多，如液体、气体、蒸汽和部分混相流体；准确度较高，一般为测量值的±0.5%～±1.5%；测量范围宽，可达10∶1或25∶1；压损小，约为孔板流量计的1/4；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、黏度）和组分的影响，即仪表常数仅与漩涡发生体及管道的形状尺寸有关；仪表适用性强。

涡街流量计是速度式流量计，漩涡的规律性易受上游侧的湍流、流速分布畸变等因素的影响，所以流量计安装时上游侧至少要有10D的直管段，下游侧有5D左右的直管段。传感器在管道上可以水平、垂直或倾斜安装，但测量液体和气体时为防止气泡和液滴干扰，安装位置要正确。另外涡街流量计对振动很敏感，安装地点应注意避免机械振动，尤其要避免管道振动。