涡街流量计的设计及其应用

    1878年斯特劳哈尔（Strouhal）发表了关于流体振动频率与流速关系的论文，斯特劳哈尔数即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用于防灾，如防止因锅炉及换热器钢管固有频率与流体涡街频率吻合产生共振而对设备之破坏。涡街流体振动现象用于测量的研究始于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涡街流量计。20世纪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。

    我国涡街流量计生产发展迅速，全国有数十家生产厂，但无论是涡街流量计的理论研究还是实践经验均显不足。迄今最基本的流量方程仍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不尽相同。目前涡街流量计广泛应用于输油管道、天然气管道、冶炼厂、水管道等复杂的工业现场。

    涡街流量计是在流体中安放一根非流线型阻流体，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，即可推算出流体的流量。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。涡街流量计具有以下一些特点^[1]。

    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，不受流体组分、密度、压力及温度的影响；
    ② 测量范围宽，一般达10:1以上；
    ③ 精确度为中上水平；
    ④ 无运动部件，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，可适用于液体、气体和蒸气。

    2 涡街流量计的工作原理

    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（见图1），旋涡列在旋涡发生体下游非对称地排列。根据卡曼涡街原理，有如下关系式[2]：

式中    m-旋涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比；D-表体通径，mm；d-旋涡发生体迎面宽度，mm；f-旋涡的发生频率，Hz；U₁-旋涡发生体两侧平均流速，m/s；Sr-斯特劳哈尔数；U-被测介质的平均流度，m/s。

    管道内体积流量qv为：

    式中K-流量计的仪表系数，脉冲数/m³即：P/m³。

    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，它与旋涡发生体的形状及雷诺数有关，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2可见，在Re_D=2×10⁴~7×10⁶范围内，斯特劳哈尔数可视为常数，这是仪表正常工作范围。当测量气体流量时，涡街流量计的流量计算式为：

    式中qv_n，qv-分别为标准状态下（0℃或20℃ ，101.325kPa）和工况下的体积流量，m³/h；p_n，p-分别为标准状态下和工况下的绝对压力，Pa；T_n，T-分别为标准状态下和工况下的热力学温度，K；Z_n，Z-分别为标准状态下和工况下气体压缩系数。

   由式（5）可见，涡街流量计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有直接影响。

    涡街流量计由传感器和转换器两部分组成（见图3）。传感器包括旋涡发生体（阻流体）、检测元件和仪表表体等；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，智能式流量计将微处理器、显示通讯及其他功能模块设置在转换器内。

    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，对其要求如下。

    ① 能够控制旋涡在旋涡发生体轴线方向上的同步分离；
    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 能够产生强烈的涡街，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。

    目前，国内外已经开发出形状繁多的旋涡发生体，可以分为单旋涡发生体和多旋涡发生体两类（见图4）。单旋涡发生体的基本形状有圆柱、矩形柱和三角柱，其他形状皆为这些基本形的变形。其中应用最广泛的是三角柱形旋涡发生体（见图5）^[3]。为了提高涡街强度和稳定性，可采用多旋涡发生体，但其应用并不普遍。

    3 涡街流量计在现场的应用

    3.1 现场应用

    涡街流量计适用的流体比较广泛，但不适用于测量低雷诺数（Re_D≤2×10⁴）流体。低雷诺数时，斯特劳哈尔数随着雷诺数而变，仪表线性度变差，流体粘度高，显著影响甚至阻碍旋涡的产生，同时对于流体的脏污性质有要求。含固体微粒的流体对旋涡发生体的冲刷会产生噪声，对旋涡发生体产生磨损。若含有的短纤维缠绕在旋涡发生体上，将改变仪表系数。涡街流量计在混相流体中的应用如下：

    ① 可以用于含分散、均匀的微小气泡，但容积含气率应小于7%~10%的气、液两相流，若容积含气率超出2%，应对仪表系数进行修正。
    ② 可以用于含分散、均匀的固体微粒，含量不大于2%的气固、液固两相流。
    ③ 可以用于互不溶解的液液（如油和水）两组分流等。

    脉动流和旋转流将对涡街流量计产生严重影响。如果脉动频率与涡街频率吻合，将可能引起谐振，破坏正常工作和设备，使涡街信号产生“锁定（1ock-in）”现象，这时信号固定于某一频率。“锁定”与脉动幅值、旋涡发生体形状及堵塞比等有关。

  
  涡街流量计的精确度对于液体大致为士（0.5%~±2%）R，对于气体为士（1%~±2%）R，重复性一般为0.2%~0.5%。由于涡街流量计的仪表系数较低，频率分辨率低，口径愈大，精度愈低，故仪表口径不宜过大（DN300以下^[4]）。

    范围度宽是涡街流量计的特点，量程下限的流量数值更为重要。一般液体平均流速下限为0.5m/S，气体为4~5m/s^[5]。涡街流量计的正常流量最好在正常测量范围的1/2~2/3处。

    涡街流量计的最大优点是仪表系数不受测量介质物性的影响，可以用一种典型的介质进行校验而应用于其他介质，为解决校验设备问题提供了便利。但由于液、气的流速范围差别很大，导致频率范围差别亦很大。在处理涡街信号的放大器电路中，滤波器的通带不同，电路参数亦不同，因此，同一电路参数不能用于测量不同的介质。介质改变后，电路参数亦应随之改变。

    另外，气体和液体的密度差别很大，旋涡分离时产生的信号强度与密度成正比。因此信号强度差别亦很大，液、气放大器电路的增益、触发灵敏度等皆不相同，压电电荷差别大，电荷放大器的参数也不同。即使同为气体（或液体、蒸汽等），随着介质压力、温度或密度的不同，使用的流量范围不同，信号强度亦不同，电路参数同样要改变。因此一台涡街流量计不经硬件或软件修改，仅改变使用介质或仪表口径是不可行的。

    涡街流量计在水处理、输油管道等工业现场的应用十分广泛。例如：北京东方化工厂在公用工程系统中使用了22台LUGB型涡街流量计以及配套的KSJ型流量积算仪，包括水处理和水二次循环，水处理主要为开工锅炉提供脱盐水，为乙烯和环氧乙烷提供精制水，为水二次循环提供软化脱碱水；水二次循环主要为乙烯、环氧乙烷、开工锅炉和水站提供循环冷却水。在该项工程中，涡街流量计接受流量积算仪的12VDC供电，采用压电晶体元件检测旋涡分离频率。安装在柱体内部的探头体感受旋涡在柱体后部两侧产生的压力脉冲，埋设在探头体内部的压电晶体元件感受到这一应变力的作用，产生交变电荷，经传感器处理后，输出一定幅度的脉冲信号给二次仪表。脉冲信号与流经管道的流量成比例，比例关系由涡街流量计的仪表系数决定，仪表系数一般由厂家标定。

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    流量积算仪是以MCS51系列单片机8031为主体的流量显示仪表，在接受到这一脉冲信号后，一方面由指针式电流表显示瞬时流量，且由8位数码显示累计流量或累计时间，另一方面可以输出4~20mA或0~10mA的信号供调节器或记录仪使用。流量积算仪依据涡街流量计的仪表系数及流量量程进行参数设定。

    3.2 安装注意事项

    涡街流量计属于对管道流速分布畸变、旋转流和流动脉动等敏感的流量计，因此，应充分重视现场管道的安装条件，严格遵照使用说明书。

    涡街流量计可以安装在室内或室外。如果安装在地井，为了防止被水淹没，应选用涎水型传感器。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，为了防止气泡和液滴的干扰，安装位置需注意（见图6）。

    涡街流量计必须保证上、下游直管段有必要的长度（见图7）。

    传感器与管道的连接见图8。在与管道连接时，要注意以下问题。

    ①上、下游配管内径D与传感器内径D′相同，其差异满足下述条件：0.95D≤D′≤1.1D。
    ②配管应与传感器同心，同轴度小于0.05D′。
    ③密封垫不能凸人管道内，其内径可比传感器内径大1~2mm。
    ④如需断流检查或清洗传感器，应设置旁通管道（见图9）^[6]。

  
  ⑤现场安装时减小振动对涡街流量计的影响值得关注。应尽量避开振动源，采用弹性软管在小口径中连接，并加装管道支撑物。一种管道支撑方法见图10^[7]。

    成套安装包括前后直管段，流动调整器是保证获得高精确度测量的措施，在制造厂进行装配则更能保证安装质量。图11为一安装实例。

    电气安装应注意，在传感器与转换器之间采用蔽电缆或低噪声电缆连接，距离不应超过使用说明书的规定。布线时应远离强功率电源线，尽量采用单独金属套管保护。应遵循“一点接地”原则，接地电阻小于10Ω。整体型和分离型均应在传感器侧接地，转换器外壳接地点应与传感器“同地”。

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   3.3 现场常见故障、原因及排除方法

    涡街流量计有多种检测方式，传感器与测量电路差别亦较大，但涡街流量计常见的故障具有共性（见表1）。

表1 涡街流量计故障及其处理方法

    4 结束语

    我国在20世纪80年代即制订了涡街流量计专业标准（ZBN 12008-1989）和检测规程（JJG 620-1989），在众多的流量计中，涡街流量计的购置费低于质量式、电磁式、容积式等，安装、运行、维护费低于节流式、容积式、涡轮式等，是一种经济性较好、较实用的流量计。涡街流量计结构简单牢固，安装维护方便，尤其适用于冶炼厂、化工厂、输油管道等工业现场的使用。

    [参考文献]

    [1] 刘欣荣.流量计[M].北京：水利电力出版社，1990.
    [2] JB/T 9249-1999，涡街流量传感器[S].
    [3] 川田裕郎，等.流量测量手册[M].北京：计量出版社，1982.
    [4] 孙淮清，姜仲霞.涡街流量计（一），（二）[J].自动化仪表，1998，（9）：43，1998（10）：42.
    [5] JJG 198－1994，速度式流量计检定规程[S].
    [6] Miller，R.W.流量测量工程手册[M].北京：机城工业出版社，1990.
    [7] 姜仲霞.流体振动流量计[J].世界仪表与自动化，1997，1（1）：48，1997，1（2）：37.

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