7.5渦街流量計講解課件

1、 渦街流量計第1頁，共43頁。一、流量計 概 述在特定的流動條件下，一部分流體動能轉化為流體振動，其振動頻率與流速（流量）有確定的比例關系，依據(jù)這種原理工作的流量計稱為流體振動流量計。目前流體振動流量計有三類：渦街流量計、旋進（旋渦進動）流量計和射流流量計。渦街流量計外形圖第2頁，共43頁。流體振動流量計具有以下一些特點：1）輸出為脈沖頻率，其頻率與被測流體的實際體積流量成正比，它不受流體組分、密度、壓力、溫度的影響；2）測量范圍寬，一般范圍度可達10：1以上；3）精確度為中上水平；4）無可動部件，可靠性高；5）結構簡單牢固，安裝方便，維護費較低； 6）應用范圍廣泛，可適用液體、氣體和蒸氣。第

2、3頁，共43頁。1.1 渦街流量計簡介渦街流量汁（以下簡稱VSF流量計） 是在流體中安放一根（或多根）非流線型阻流體（bluff body），流體在阻流體兩側交替地分離釋放出兩串規(guī)則的旋渦，在一定的流量范圍內(nèi)旋渦分離頻率正比于管道內(nèi)的平均流速，通過采用各種形式的檢測元件測出旋渦頻率就可以推算出流體的流量。第4頁，共43頁。 早在1878年斯特勞哈爾（Strouhal）就發(fā)表了關于流體振動頻率與流速關系的文章，斯特勞哈爾數(shù)就是表示旋渦頻率與阻流體特征尺寸，流速關系的相似準則。人們早期對渦街的研究主要是防災的目的，如鍋爐及換熱器鋼管固有頻率與流體渦街頻率合拍將產(chǎn)生共振而破壞設備。 渦街流體振動現(xiàn)象

3、用于測量研究始于20世紀50年代，如風速計和船速計等。60年代末開始研制封閉管道流量計-渦街流量計，誕生了熱絲檢測法及熱敏檢測法VSF。 70、80年代渦街流量計發(fā)展異常迅速，開發(fā)出眾多類型阻流體及檢測法的渦街流量計，并大量生產(chǎn)投放市場，像這樣在短短幾年時間內(nèi)就達到從實驗室樣機到批量生產(chǎn)過程的流量計還絕無僅有。第5頁，共43頁。 我國VSF的生產(chǎn)亦有飛速發(fā)展，全國生產(chǎn)廠達數(shù)十家，這種生產(chǎn)熱潮國外亦未曾有過。應該看到，VSF尚屬發(fā)展中的流量計，無論其理論基礎或實踐經(jīng)驗尚較差。至今最基本的流量方程經(jīng)常引用卡曼渦街理論，而此理論及其一些定量關系是卡曼在氣體風洞（均勻流場）中實驗得出的，它與封閉管道中

4、具有三維不均勻流場其旋渦分離的規(guī)律是不一樣的。至于實踐經(jīng)驗更是需要通過長期應用才能積累。 一般流量計出廠校驗是在實驗室參考條件下進行的，在現(xiàn)場偏離這些條件不可避免。工作條件的偏離到底會帶來多大的附加誤差至今在標準及生產(chǎn)廠資料中尚不明確。這些都說明流量計的迅速發(fā)展需求基礎研究工作必須跟上，否則在實用中經(jīng)常會出現(xiàn)一些預料不到的問題，這就是用戶對VSF存在一些疑慮的原因，它亟需探索解決。第6頁，共43頁。二、工作原理與結構2.1 渦街基本原理流體流經(jīng)阻擋體或者是特制的元件時，產(chǎn)生了流動振蕩，通過測定其振蕩頻率來反映通過的流量。 2.2 渦街產(chǎn)生原理在流體中設置旋渦發(fā)生體（阻流體），從旋渦發(fā)生體兩側交

5、替地產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦，這種旋渦稱為卡曼渦街，如圖所示。旋渦列在旋渦發(fā)生體下游非對稱地排列，渦列的形成與流體雷諾數(shù)有關。 第7頁，共43頁?？鼫u街 第8頁，共43頁。根據(jù)卡曼渦街原理，有如下關系式渦列頻率斯特羅哈數(shù)渦列發(fā)生體兩側流體的平均流速渦列發(fā)生體迎流面的最大寬度渦列發(fā)生體兩側的流通截面積A=D2/4-管道圓形面積 體積流量斯特羅哈數(shù)St主要與漩渦發(fā)生體的形狀和雷諾數(shù)有關，形狀確定后，在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)St為常數(shù)。第9頁，共43頁。斯特勞哈爾數(shù)為無量綱參數(shù)，它與旋渦發(fā)生體形狀及雷諾數(shù)有關，圖1所示為圓柱狀旋渦發(fā)生體的斯特勞哈爾數(shù)與管道雷諾數(shù)的關系圖。圖1：斯特勞哈爾數(shù)與雷諾數(shù)關系曲線第10

6、頁，共43頁。 流體流經(jīng)柱體時，速度上升，壓力下降（節(jié)流），在圓柱體后速度下降，壓力上升。當ReD60時，附面層分離，產(chǎn)生旋向相反，且交替出現(xiàn)的旋渦，當渦街寬度h/相鄰旋渦間距l(xiāng) =0.2806時，渦街達到穩(wěn)定。由圖1可見，在ReD=21047106范圍內(nèi)，Sr可視為常數(shù)，這是儀表正常工作范圍。第11頁，共43頁。2.3 渦街結構VSF由傳感器和轉換器兩部分組成，如圖2所示。傳感器包括旋渦發(fā)生體（阻流體）、檢測元件、儀表表體等；轉換器包括前置放大器、濾波整形電路、DA轉換電路、輸出接口電路、端子、支架和防護罩等。近年來智能式流量計還把微處理器、顯示通訊及其他功能模塊亦裝在轉換器內(nèi)。圖2 渦街流

7、量計第12頁，共43頁。2.3.1旋渦發(fā)生體旋渦發(fā)生體是檢測器的主要部件，它與儀表的流量特性（儀表系數(shù)、線性度、范圍度等）和阻力特性（壓力損失）密切相關，對它的要求如下。能控制旋渦在旋渦發(fā)生體軸線方向上同步分離；在較寬的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，有穩(wěn)定的旋渦分離點，保持 恒定的斯特勞哈爾數(shù)；能產(chǎn)生強烈的渦街，信號的信噪比高；形狀和結構簡單，便于加工、安裝和組合；材質應滿足流體性質的要求，耐腐蝕，耐磨蝕，耐溫變；固有頻率在渦街信號的頻帶外。第13頁，共43頁。已經(jīng)開發(fā)出形狀繁多的旋渦發(fā)生體，它可分為單旋渦發(fā)生體和多旋渦發(fā)生體兩類，如圖4所示。單旋渦發(fā)生體的基本形有圓柱、矩形柱和三角柱，其他形狀皆為這些基本形

8、的變形。三角柱形旋渦發(fā)生體是應用最廣泛的一種，如圖3所示。圖中D為儀表口徑。為提高渦街強度和穩(wěn)定性，可采用多旋渦發(fā)生體，不過它的應用并不普遍。圖3 三角柱旋渦發(fā)生體d/D=0.20.3;c/D=0.10.2;b/d=11.5;=15o65o第14頁，共43頁。圖4 單旋渦發(fā)生體和多旋渦發(fā)生體第15頁，共43頁。2.3.2檢測元件流量計檢測旋渦信號一般有5種方式。1） 用設置在旋渦發(fā)生體內(nèi)的檢測元件直接檢測發(fā)生體兩側差壓；2） 旋渦發(fā)生體上開設導壓孔，在導壓孔中安裝檢測元件檢測發(fā)生體兩側差壓；3） 檢測旋渦發(fā)生體周圍交變環(huán)流；4） 檢測旋渦發(fā)生體背面交變差壓；5） 檢測尾流中旋渦列。根據(jù)這5種檢

9、測方式，采用不同的檢測技術（熱敏、超聲、應力、應變、電容、電磁、光電、光纖等）可以構成不同類型的VSF。第16頁，共43頁。旋渦發(fā)生體和檢測方式一覽表第17頁，共43頁。旋渦頻率檢測方法，大致分為兩類：一類是檢測旋渦發(fā)生時流速變化，采用的元件有熱絲、熱敏電阻、超聲波探頭等；另一類是檢測旋渦發(fā)生時壓力變化，采用的檢測元件有壓電元件、應變元件、膜片+壓電、膜片+電容等。 熱敏檢測元件靈敏度高，適用于較低溫度（小于200度）和較低密度的氣體測量。但因熱敏電阻用玻璃封裝，較脆弱，故易受污物、有害物質等影響。 壓電元件耐臟，應用較廣。但抗震性較差、信噪比較低，如測低密度、低流速氣體，環(huán)境振動較大就不宜選

10、用。在常溫下，壓電陶瓷是絕緣的，阻抗為10100兆歐。如300度高溫，阻抗會降到1兆歐，輸出信號變小，導致系統(tǒng)低頻性惡化，不利于測量。第18頁，共43頁。檢測元件檢測方法舉例：圓柱發(fā)聲體檢出部分的軸向兩側開并列的偶數(shù)導壓孔，導壓孔與檢測棒內(nèi)的空腔相通?？涨粌?nèi)有隔墻，把空腔分隔成二部分，在隔墻中，裝有通電流的鉑電阻絲。當圓柱檢測棒的側后方產(chǎn)生旋渦時，有旋渦的一邊靜壓大于無旋渦的一邊，于是通過導壓孔引起空腔內(nèi)流體的移動，使得熱電阻絲冷卻而改變阻值，在通過電橋輸出電信號。三角柱檢測器正面用低溫玻璃封裝的兩只熱敏電阻為電橋的橋臂，它由恒流源供給的微弱電流予以加熱。流體在檢測器兩側交替產(chǎn)生旋渦，產(chǎn)生旋渦

11、的一側，流速較大，致使靠近這一側的熱敏電阻溫度降低而阻值升高，造成電橋不平衡，從而輸出與旋渦產(chǎn)生的頻率一致的交變電壓信號。第19頁，共43頁。熱電阻法（P脈動）：把圓柱做成空心，中間放入一個加熱的電阻絲，在隔板層開幾個導壓孔，當一側產(chǎn)生渦列時，P變化（脈動），另一側未變，所以流體經(jīng)過導壓孔突然流過電阻絲，使之冷卻，溫度降低，電阻減小，另一側再產(chǎn)生渦列時，流體反而再次冷卻，電阻減小，測出電阻下降的次數(shù)就可以推出頻率f。第20頁，共43頁。物質在1秒內(nèi)完成周期性變化的次數(shù)叫做頻率，常用f表示。頻率是50Hz,也就是一秒鐘內(nèi)做了50次周期性變化。什么是頻率？什么是雷諾數(shù)？簡介：雷諾數(shù)（Reynold

12、s number）一種可用來表征流體流動情況的無量綱數(shù)，以Re表示，Re=vd/，其中v、分別為流體的流速、密度與黏性系數(shù)，d為一特征長度。例如流體流過圓形管道，則d為管道直徑。利用雷諾數(shù)可區(qū)分流體的流動是層流或湍流，也可用來確定物體在流體中流動所受到的阻力。例如，對于小球在流體中的流動，當Re比“1”小得多時，其阻力f=6rv（稱為斯托克斯公式），當Re比“1”大得多時，f=0.2r2v2而與無關。第21頁，共43頁。雷諾數(shù)表示作用于流體微團的慣性力與粘性力1之比。兩個幾何相似流場的雷諾數(shù)相等，則對應微團的慣性力與粘性力之比相等。雷諾數(shù)越小意味著粘性力影響越顯著，越大則慣性力影響越顯著。雷諾

13、數(shù)很小的流動（如潤滑膜內(nèi)的流動），其粘性影響遍及全流場。雷諾數(shù)很大的流動（如一般飛行器繞流），其粘性影響僅在物面附近的邊界層或尾跡中才是重要的。在涉及粘性影響的流體力學實驗中，雷諾數(shù)是主要的相似準數(shù)。 但很多模型實驗的雷諾數(shù)遠小于實物的雷諾數(shù)，因此研究修正方法和發(fā)展高雷諾數(shù)實驗設備是流體力學實驗研究的重要課題。第22頁，共43頁。熱敏電阻法（靈敏度高）： 在三角柱體的迎流面上對稱的嵌入兩個熱敏電阻，熱敏電阻中通入恒定的電流，使之溫度在流體靜止的情況下比流體高出10左右。未起漩時，流體的溫度相同，交替旋轉時，發(fā)生漩渦的一側，能量損失，因此流速降低，此側對電阻的冷卻作用下降，可以產(chǎn)生一個脈沖。第2

14、3頁，共43頁。電磁檢測法：旋渦發(fā)生體后設置一個信號電極，并使電極處于一個磁感應強度為B的永久磁場中，流體旋渦的振動使電極同頻率振動，切割磁力線產(chǎn)生感應電動勢。特點：不怕管道振動，剛剛興起的渦街頻率檢測方法。第24頁，共43頁。2.3.3轉換器檢測元件把渦街信號轉換成電信號，該信號既微弱又含有不同成分的噪聲，必須進行放大、濾波、整形等處理才能得出與流量成比例的脈沖信號。檢測方法熱敏式超聲式應變式應力式電容式光電式電磁式前置放大器恒流放大器選頻放大器恒流放大器電荷放大器調諧-振動放大器光電放大器低頻放大器不同檢測方式應配備不同特性的前置放大器，如表1所列。表1 檢測方式與前置放大器第25頁，共4

15、3頁。圖5 轉換器原理框圖第26頁，共43頁。2.3.4儀表本體儀表表體可分為夾持型和法蘭型，如圖6所示。圖6 儀表表體 第27頁，共43頁。Rosemount 渦街縮徑型雙頭型法蘭型夾持型分體型多參數(shù)型第28頁，共43頁。29三、優(yōu)點與局限性3.1 優(yōu)點VSF結構簡單牢固，安裝維護方便（與節(jié)流式差壓流量計相比較，無需導壓管和三閥組等，減少泄漏、堵塞和凍結等）。適用流體種類多，如液體、氣體、蒸氣和部分混相流體。精確度教高（與差壓式，浮子式流量計比較），一般為測量值的（ 1%2%）R。范圍寬度，可達10：1或20：1。壓損小（約為孔板流量計1/41/2）。輸出與流量成正比的脈沖信號，適用于總量計

16、量，無零點漂移；第29頁，共43頁。在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)，輸出頻率信號不受流體物性（密度，粘度）和組分的影響，即儀表系數(shù)僅與旋渦發(fā)生體及管道的形狀尺寸有關，只需在一種典型介質中校驗而適用于各種介質，如圖7所示。圖7 不同測量介質的斯特勞哈爾數(shù) 可根據(jù)測量對象選擇相應的檢測方式，儀表的適應性強。VSF在各種流量計中是一種較有可能成為僅需干式校驗的流量計。 第30頁，共43頁。3.2 局限性 VSF不適用于低雷諾數(shù)測量（ReD2104），故在高粘度、低流速、小口徑情況下應用受到限制。旋渦分離的穩(wěn)定性受流速分布畸變及旋轉流的影響，應根據(jù)上游側不同形式的阻流件配置足夠長的直管段或裝設流動調整器（整流器）

17、，一般可借鑒節(jié)流式差壓流量計的直管段長度要求安裝。力敏檢測法VSF對管道機械振動較敏感，不宜用于強振動場所。與渦輪流量計相比儀表系數(shù)較低，分辨率低，口徑愈大愈低，一般滿管式流量計用于 DN300以下。儀表在脈動流、混相流中尚欠缺理論研究和實踐經(jīng)驗。3.3不同檢測方法渦街流量計比較第31頁，共43頁。名 稱檢測變化量檢測技術口徑/mm介質溫度/oC范圍度雷諾數(shù)范圍簡單程度牢固程度靈敏度耐熱性耐振性耐污能力應用范圍檢測原理檢測元件熱敏式渦街流量計流速變化加熱體冷卻熱敏元件25200-196+2051530104106清潔、無腐蝕液體、氣體超聲式渦街流量計聲束被調制超聲換能器25150-15+175

18、303103106小口徑液體、氣體電容式渦街流量計壓力變 化壓差作用壓差檢測膜片/電容15300-200+40030104106液體、氣體、蒸汽應力式渦街流量計壓差檢測膜片/壓電片50200-18+20516104106液體、氣體、蒸汽振動體式渦街流量計壓差檢測圓盤/電磁50200-268-4810305103106極低溫液態(tài)氣體棱球/電磁-40+427高溫蒸汽光電式渦街流量計壓差檢測反射鏡/光電元件4080-10+50403103105低壓常溫氣體應變式渦街流量計升力作用應變檢測應變元件50150-40120151043106液體應力式渦街流量計應力檢測壓電元件15300-40+400102

19、01047106液體、氣體、蒸汽第32頁，共43頁。3.3.1應力式VSF它把檢測元件受到的升力以應力形式作用在壓電晶體元件上，轉換成交變的電荷信號，經(jīng)電荷放大、濾波、整形后得到旋渦頻率信號。壓電傳感器響應快、信號強、工藝性好、制造成本低、與測量介質不接觸、可靠性高。儀表的工作溫度范圍寬，現(xiàn)場適應性強，可靠性較高，它是目前VSF的主要產(chǎn)品類型。圖8 應力式渦街流量計1-表頭組；2-三角柱；3-表體；4-聯(lián)軸；5-壓板；6-探頭；7-密封墊；8-接頭；9-密封墊圈；10-螺栓；11-銷；12-銘牌；13-圓螺母；14-支架；15-螺栓它對管道振動較敏感，是其主要缺點第33頁，共43頁。3.3.2

20、電容式VSF 安裝在渦街流量傳感器中的電容檢測元件相當于一個懸臂梁（見圖9）。當旋渦產(chǎn)生時，在兩側形成微小的壓差，使振動體繞支點產(chǎn)生微小變形，從而導致一個電容間隙減少（電容量增大），另一個電容間隙增大（電容量下降），通過差分電路檢測電容差值。圖9 電容式檢測元件第34頁，共43頁。當管道有振動時，不管振動是何方向，由振動產(chǎn)生的慣性力同時作用在振動體及電極上，使振動體與電極都在同方向上產(chǎn)生變形，由于設計時保證了振動體與電極的幾何結構與尺寸相匹配，使它們的變形量一致，差動信號為零。這就是電容檢測元件耐振性能好的原因。電容式另一個優(yōu)點是可耐高溫達400oC，溫度對電容檢測元件的影響有兩方面：溫度使電

21、容間介電常數(shù)發(fā)生變化和電極的幾何尺寸隨溫度而變，這些導致電容值發(fā)生變化，另一方面由于溫度升高金屬熱電子發(fā)射造成電容的漏電流增大。第35頁，共43頁。3.3.3熱敏式VSF 旋渦分離引起局部流速變化，改變熱敏電阻阻值，恒流電路把橋路電阻變化轉換為交變電壓信號。這種儀表檢測靈敏度較高，下限流速低，對振動不敏感，可用于清潔、無腐蝕性流體測量。圖10 熱敏式渦街流量計R11，R12-熱敏電阻第36頁，共43頁。3.3.4超聲式VSF 在管壁上安裝二對超聲探頭T1，R1，T2，R2，探頭T1，T2發(fā)射高頻、連續(xù)聲信號，聲波橫穿流體傳播。當旋渦通過聲束時，每一對旋轉方向相反的旋渦對聲波產(chǎn)生一個周期的調制作

22、用，受調制聲波被接收探頭R1，R2轉換成電信號，經(jīng)放大、檢波、整形后得旋渦信號。圖11 超聲式渦街流量傳感器 儀表有較高檢測靈敏度，下限流速較低，儀表適用于溫度變化小的氣體和含氣量微小的液體流量測量。第37頁，共43頁。四、安裝使用注意事項 渦街流量計對管道流速分布畸變、旋轉流和流動脈動等敏感，對現(xiàn)場管道安裝條件應充分重視，遵照生產(chǎn)廠使用說明書的要求執(zhí)行。 渦街流量計可安裝在室內(nèi)或室外。如果安裝在地井里，有水淹的可能，要選用涎水型傳感器。 傳感器在管道上可以水平、垂直或傾斜安裝，但測量液體和氣體時為防止氣泡和液滴的干擾，安裝位置要注意 。4.1安裝第38頁，共43頁?；煜嗔黧w的安裝第39頁，共43頁。渦街流量計對上、下游直管段長度的要求第40頁，共43頁。4.2使用注意事項（1）現(xiàn)場安裝完畢通電和通流前的檢查 主管和旁通管上各法蘭、閥門、測壓、測溫孔及接頭應無滲漏現(xiàn)象； 管道振動情況是否符合說明書規(guī)定； 傳感器安裝是否正確，各部分電氣連接是否良好。（2）接通電源靜態(tài)調試 在通電不通流時轉換器應無輸出，瞬時流量指示為零，累積流量無變化，否則首先檢查是否因信號線屏蔽或接地不良，或管道震動強烈而引入干擾信號。如確認不是上述原因時，可調整轉換器內(nèi)電位器，降低放大器增益或提高整形電路觸發(fā)電平，直至輸出為零。（3）通流動態(tài)調試 關旁通閥，打開上下游閥門，流動穩(wěn)定后轉換器輸出連續(xù)的脈寬均勻的脈