智能涡街流量计工作原理与结构

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Re_D=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 q_Vn，q_V--分别为标准状态下（0^oC或20^oC，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**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**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=15^o～65^o

⑵智能涡街流量计 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

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

　　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。

智能涡街流量计主要存在的问题 主要有：①指示长期不准；②始终无指示；③指示大范围波动，无法读数；④指示不回零；⑤小流量时无指示；⑧大流量时指示还可以，小流量时指示不准；⑦流量变化时指示变化跟不上；⑧仪表K系数无法确定，多处资料均不一致。

分析及解决方法

总结引起这些问题的主要原因，主要涉及到以下方面：

1、选型方面的问题。有些涡街传感器在口径选型上或者在设计选型之后由于工艺条件变动，使得选择大了―个规格，实际选型应选择尽可能小的口径，以提高测量精度，这方面的原因主要同问题①、③、⑥有关。比如，一条涡街管线设计上供几个设备使用，由于工艺部分设备有时候不使用，造成目前实际使用流量减小，实际使用造成原设计选型口径过大，相当于提高了可测的流量下限，工艺管道小流量时指示无法保证，流量大时还可以使用，因为如果要重新改造有时候难度太大．工艺条件的变动只是临时的。可结合参数的重新整定以提高指示准确度。

2、安装方面的问题。主要是传感器前面的直管段长度不够，影响测量精度，这方面的原因主要同问题①有关。比如：传感器前面直管段明显不足，由于FIC203不用于计量，仅仅用于控制，故目前的精度可以使用相当于降级使用。

3、参数整定方向的原因。由于参数错误，导致仪表指示有误．参数错误使得二次仪表满度频率计算错误，这方面的原因主要同问题①、③有关。满度频率相差不多的使得指示长期不准，实际满度频率大干计算的满度频率的使得指示大范围波动，无法读数，而资料上参数的不一致性又影响了参数的**终确定，**终通过重新标定结合相互比较确定了参数，解决了这一问题。

4、二次仪表故障。这部分故障较多，包括：一次仪表电路板有断线之处，量程设定有个别位显示坏，K系数设定有个别位显示坏，使得无法确定量程设定以及K系数设定，这部分原因主要向问题①、②有关。通过修复相应的故障，问题得以解决。

5、四路线路连接问题。部分回路表面上看线路连接很好，仔细检查，有的接头实际已松动造成回路中断，有的接头虽连接很紧但由于副线问题紧固螺钉却紧固在了线皮上，也使得回路中断，这部分原因主要同问题②有关。

6、二次仪表与后续仪表的连接问题。由于后续仪表的问题或者由于后续仪表的检修，使得二次仪表的mA输出回路中断，对于这类型的二次仪表来说，这部分原因主要同问题②有关。尤其是对于后续的记录仪，在记录仪长期损坏无法修复的情况下，一定要注意短接二次仪表的输出。

7、由于二次仪表平轴电缆故障造成回路始终无指示。由于长期运行，再加上受到灰尘的影响，造成平轴电缆故障，通过清洗或者更换平轴电线，问题得以解决。

8、对于问题⑦主要是由于二次仪表显示表头线圈固定螺丝松，造成表头下沉，指针与表壳摩擦大，动作不灵，通过调整表头并重新固定，问题相应解决。

9、使用环境问题。尤其是安装在地井中的传感器部分，由于环境湿度大，造成线路板受潮，这部分原因主要同问题②、②有关。通过相应的技改措施，对部分环境湿度大的传感器重新作了把探头部分与转换部分分离处理，改用了分离型传感器，故善了工作环境，日前这部分仪表运行良好。

10、由于现场调校不好，或者由于调校之后的实际情况的再变动。由于现场振动噪声平衡调整以及灵敏度调整不好．或者由于调整之后运行一段时间之后现场情况的再变动，造成指示问题、这部分原因主要同问题④、⑤有关。使用示波器，加上结合工艺运行情况，重新调整。