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涡街流量计工作原理
·发布时间[2010-7-1]    ·浏览次数[1649]

  1 . 工作原理

  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1所示。旋涡列在旋涡发生体下游非对称地排列。设旋涡的发生频率为f,被测介质来流的平均速度为U,旋涡发生体迎面宽度为d,表体通径为D,根据卡曼涡街原理,有如下关系式
              f=SrU1/d=SrU/md                     (1)
式中  U1--旋涡发生体两侧平均流速,m/s;
    Sr--斯特劳哈尔数;
    m--旋涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比
        


图1 卡曼涡街


  管道内体积流量qv为
            qv=πD2U/4=πD2mdf/4Sr                 (2)
            K=f/qv=[πD2md/4Sr]-1                  (3)
式中 K--流量计的仪表系数,脉冲数/m3(P/m3)。
  K除与旋涡发生体、管道的几何尺寸有关外,还与斯特劳哈尔数有关。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2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。由图可见,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。当测量气体流量时,VSF的流量计算式为
                           (4)


图2 斯特劳哈尔数与雷诺数关系曲线

式中 qVn,qV--分别为标准状态下(0oC或20oC,101.325kPa)和工况下的体积流量,m3/h;
   Pn,P--分别为标准状态下和工况下的绝对压力,Pa;
   Tn,T--分别为标准状态下和工况下的热力学温度,K;
   Zn,Z--分别为标准状态下和工况下气体压缩系数。
  由上式可见,VSF输出的脉冲频率信号不受流体物性和组分变化的影响,即仪表系数在一定雷诺数范围内仅与旋涡发生体及管道的形状尺寸等有关。但是作为流量计在物料平衡及能源计量中需检测质量流量,这时流量计的输出信号应同时监测体积流量和流体密度,流体物性和组分对流量计量还是有直接影响的。

2. 结构

  VSF由传感器和转换器两部分组成,如图3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3 涡街流量计

(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,便于加工和几何参数标准化,以及各种检测元件的安装和组合;
  5) 材质应满足流体性质的要求,耐腐蚀,耐磨蚀,耐温度变化;
  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5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。


(a)单旋涡发生体

(b)双、多旋涡发生体
图4 旋涡发生体


图5 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

⑵ 检测元件

  流量计检测旋涡信号有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,如表1所示。

表1 旋涡发生体和检测方式一览表

序号

旋涡发生体截面形状

传感器

序号

旋涡发生体截面形状

传感器

检测方式

检测元件

检测方式

检测元件

1

方式 5)

超声波束

9

方式 2)

反射镜/光电元件

2

方式 2)

方式 3)
方式 5)
方式 1)

悬臂梁/电容,悬臂梁/压电片
热敏元件
超声波束
应变元件

10

方式 5)

膜片/压电元件

11

方式 3)

扭力管/压电元件

3

方式 1)
方式 2)

压电元件
压电元件

12

方式 4)

扭力管/压电元件

4

方式 1)
方式 2)
方式 2)

膜片/电容
热敏元件
振动体/电磁传感器

13

方式 4)

振动片/光纤传感器

14

方式 5)

超声波束

5

方式 1)

膜片/静态电容

15

方式 2)

应变元件

6

方式 1)

磁致伸缩元件

16

方式 1)

压电元件

7

方式 1)

膜片/压电元件

17

方式 4)

应变元件

8

方式 2)

热敏元件

18

方式 5)

超声波束

⑶ 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。
  不同检测方式应配备不同特性的前置放大器,如表2所列。

表2 检测方式与前置放大器

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

  转换器原理框图如图6所示。


图6 转换器原理框图

⑷ 仪表表体

  仪表表体可分为夹持型和法兰型,如图7所示。


图7 仪表表体

三、 优点和局限性

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8所示。


图8 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。

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、小口径情况下应用受到限制。
  旋涡分离的稳定性受流速分布畸变及旋转流的影响,应根据上游侧不同形式的阻流件配置足够长的直管段或装设流动调整器(整流器),一般可借鉴节流式差压流量计的直管段长度要求安装。
  力敏检测法VSF对管道机械振动较敏感,不宜用于强振动场所。
  与涡轮流量计相比仪表系数较低,分辨率低,口径愈大愈低,一般满管式流量计用于
DN300以下。
  仪表在脉动流、混相流中尚欠缺理论研究和实践经验。

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