[導讀] 本儀表采用壓電應力式傳感器,可靠性高,可在-20℃～ 250℃的工作溫度范圍內工作。有模擬標準信號,也有數字脈沖信號輸出,容易與計算機等數字系統配套使用,是一種比較先進、理想的流量儀表。
渦街流量計,主要用于工業管道介質流體的流量測量,如氣體、液體、蒸氣等多種介質。其特點是壓力損失小,量程范圍大,精度高,在測量工況體積流量時幾乎不受流體密度、壓力、溫度、粘度等參數的影響。無可動機械零件，因此可靠性高,維護量小。儀表參數能長期穩定。本儀表采用壓電應力式傳感器,可靠性高,可在-20℃～ 250℃的工作溫度范圍內工作。有模擬標準信號,也有數字脈沖信號輸出,容易與計算機等數字系統配套使用,是一種比較先進、理想的流量儀表。
當在流體中設置旋渦發生體(阻流體)時，從旋渦發生體兩側交替地產生有規則的旋渦，這種旋渦稱為卡曼渦街，如圖1所示。旋渦列在旋渦發生體下游非對稱地排列。設旋渦的發生頻率為f，被測介質來流的平均速度為U，旋渦發生體迎面寬度為d，表體通徑為D，根據卡曼渦街原理，有如下關系式
f=SrU1/d=SrU/md 式中
U1--旋渦發生體兩側平均流速，m/s;
Sr--斯特勞哈爾數;
m--旋渦發生體兩側弓形面積與管道橫截面面積之比
管道內體積流量qv為
qv=πD2U/4=πD2mdf/4Sr
K=f/qv=[πD2md/4Sr]-1 式中
K--流量計的儀表系數，脈沖數/m3(P/m3)。
除與旋渦發生體、管道的幾何尺寸有關外，還與斯特勞哈爾數有關。斯特勞哈爾數為無量綱參數，它與旋渦發生體形狀及雷諾數有關，圖2所示為圓柱狀旋渦發生體的斯特勞哈爾數與管道雷諾數的關系圖。由圖可見，在ReD=2×104～7×106范圍內，Sr可視為常數，這是儀表正常工作范圍。 由此可見，VSF輸出的脈沖頻率信號不受流體物性和組分變化的影響，即儀表系數在一定雷諾數范圍內僅與旋渦發生體及管道的形狀尺寸等有關。但是作為流量計在物料平衡及能源計量中需檢測質量流量，這時流量計的輸出信號應同時監測體積流量和流體密度，流體物性和組分對流量計量還是有直接影響的。
二. 結構
VSF由傳感器和轉換器兩部分組成，如圖3所示。傳感器包括旋渦發生體(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、D/A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。
渦街流量計
(1)旋渦發生體
旋渦發生體是檢測器的主要部件，它與儀表的流量特性(儀表系數、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。
1) 能控制旋渦在旋渦發生體軸線方向上同步分離;
2) 在較寬的雷諾數范圍內，有穩定的旋渦分離點，保持恒定的斯特勞哈爾數;
3) 能產生強烈的渦街，信號的信噪比高;
4) 形狀和結構簡單，便于加工和幾何參數標準化，以及各種檢測元件的安裝和組合;
5) 材質應滿足流體性質的要求，耐腐蝕，耐磨蝕，耐溫度變化;
6) 固有頻率在渦街信號的頻帶外。
已經開發出形狀繁多的旋渦發生體，它可分為單旋渦發生體和多旋渦發生體兩類，如圖4所示。單旋渦發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的變形。三角柱形旋渦發生體是應用最廣泛的一種，如圖5所示。圖中D為儀表口徑。為提高渦街強度和穩定性，可采用多旋渦發生體，不過它的應用并不普遍。
⑵ 檢測元件
流量計檢測旋渦信號有5種方式。
1) 用設置在旋渦發生體內的檢測元件直接檢測發生體兩側差壓;
2) 旋渦發生體上開設導壓孔，在導壓孔中安裝檢測元件檢測發生體兩側差壓;
3) 檢測旋渦發生體周圍交變環流;
4) 檢測旋渦發生體背面交變差壓;
5) 檢測尾流中旋渦列。
根據這5種檢測方式，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，如表1所示。
表1 旋渦發生體和檢測方式一覽表
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。
不同檢測方式應配備不同特性的前置放大器，如表2所列。
表2 檢測方式與前置放大器
三、 優點和局限性
1. 優點
VSF結構簡單牢固，安裝維護方便(與節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1/4～1/2)。
輸出與流量成正比的脈沖信號，適用于總量計量，無零點漂移;
在一定雷諾數范圍內，輸出頻率信號不受流體物性(密度，粘度)和組分的影響，即儀表系數僅與旋渦發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，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。
2. 局限性
VSF不適用于低雷諾數測量(ReD≥2×104)，故在高粘度、低流速、小口徑情況下應用受到限制。
旋渦分離的穩定性受流速分布畸變及旋轉流的影響，應根據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)，一般可借鑒節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驗。
四、分類與凡種類型產品簡介
1. 分類
渦街流量計可按下述原則分類。
按傳感器連接方式分為法蘭型和夾裝型。
按檢測方式分為熱敏式、應力式、電容式、應變式、超聲式、振動體式、光電式和光纖式等。
按用途分為普通型、防爆型、高溫型、耐腐型、低溫型、插入式和汽車專用型等。
按傳感器與轉換器組成分為一體型和分離型。
按測量原理分為體積流量計、質量流量計。
2. 幾種類型產品簡介
各類渦街流量計性能比較如表3所示。
表3 不同檢測方法渦街流量計比較
注∶√-較好、△-一般、×-差。
下面簡介幾種類型VSF。
⑴ 應力式VSF
應力式VSF應用檢測方式1)～4)(見二、2.)，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，現場適應性強，可靠性較高，它是目前VSF的主要產品類型。
但是，它對管道振動較敏感，是其主要缺點，幾年來，生產廠家做了大量工作以彌補此缺陷：如對儀表本身結構，檢測位置以及信號處理等采取措施;在管道安裝減震方式下功夫;向用戶提供選點咨詢指導等，已經取得一定的進展，當然如測量對象有較強的振動還是不用為好。
(2)電容式VSF
電容式VSF應用檢測方式1)、2)，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10)。當旋渦產生時，在兩側形成微小的壓差，使振動體繞支點產生微小變形，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。當管道有振動時，不管振動是何方向，由振動產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。雖然由于制造工藝的誤差，不可能完全消除振動的影響，但大大提高了耐振性能。試驗證明，其耐振性能超過1g。電容式另一個優點是可耐高溫達400oC，溫度對電容檢測元件的影響有兩方面：溫度使電容間介電常數發生變化和電極的幾何尺寸隨溫度而變，這些導致電容值發生變化，另一方面由于溫度升高金屬熱電子發射造成電容的漏電流增大。試驗證明，當溫度升高至400oC時無論電容值變化或漏電流增大都未影響儀表的基本性能。
⑶ 熱敏式VSF
熱敏式VSF采用檢測方式2)、3)，如圖11所示。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。
⑷ 超聲式VSF
超聲式VSF采用檢測方式5)，如圖12所示。由圖可見，在管壁上安裝二對超聲探頭T1，R1，T2，R2，探頭T1，T2發射高頻、連續聲信號，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生一個周期的調制作用，受調制聲波被接收探頭R1，R2轉換成電信號，經放大、檢波、整形后得旋渦信號。儀表有較高檢測靈敏度，下限流速較低，但溫度對聲調制有影響，流場變化及液體中含氣泡對測量影響較大，故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。
⑸ 振動體式VSF
振動體式VSF采用檢測方式2)，如圖13所示。在旋渦發生體軸向開設圓柱形深孔，孔內放置軟磁材料制作的輕質空心小球或圓盤(振動體)，旋渦分離產生的差壓推動振動體上下運動，位于振動體上方的電磁傳感器檢測出旋渦頻率。它只適用于清潔度較高的流體(如蒸汽)，可用于極高溫(427oC)及極低溫(-268oC)，這是其特點。
⑹ 升力式渦街質量流量計
旋渦分離的同時，旋渦發生體受到流體作用的升力，升力F的大小為
F=CLρU2/2 式中
CL-旋渦發生體升力系數。
以式(5)除以式(1)，經整理后可得質量流量qm
qm=ρU(π/4)D2=πD2Sr/2CLmd×F/f
由上式可看出，質量流量qm與升力F成正比。圖14為原理框圖。從壓電檢測元件取出旋渦信號，經電荷轉換器后分兩路處理：一路經有源濾波器、施密特整形器和f/V轉換器，獲得與流速成正比的信號;另一路經放大器、濾波器獲得信號幅值與ρU2成正比的信號。這兩路信號經除法器運算，獲得質量流量。
該方法結構簡單，但信號幅值與壓電元件穩定性、放大器穩定性、現場安裝條件、被測介質溫度等多種因素有關，測量精確度難以提高。
⑺ 差壓式渦街質量流量計
流體通過旋渦發生體，產生旋渦分離和尾流震蕩，部分能量被消耗和轉換，在旋渦發生體前后產生壓力損失
△p=CDρU2/2 式中
CD-渦街流量傳感器阻力系數。
以式(7)除式(1)，經整理后得質量流量qm
qm=ρU(π/4)D2=(πD2Sr/2mdCD)(△p/f)
傳感器輸出與體積流量成正比的頻率，差壓單元測出旋渦發生體前后特定位置的差壓△P，經計算單元計算，獲得質量流量qm。選擇阻力特性和流量特性俱佳的旋渦發生體，確定取壓孔位置，建立CD的數學模型是技術關鍵。