气体流量计的测量原理与结构

1、气体流量计工作原理

涡街流量计实现流量测量的理论基础是流体力学中著名的“卡门涡街”原理。在流动的流体中垂直插入一个称作旋涡发生体的对称形状的物体（如圆柱体、三角柱体），如图1所示。当流体沿旋涡发生体扰流时，会在旋涡发生体下游产生不对称、但有规律的交替旋涡列，这就是所谓的卡门涡街。

由于旋涡之间的相互影响，其形成通常是不稳定的。冯·卡门对涡街的稳定条件进行了研究，于1911年得到结论：只有当两旋涡列之间的距离h和同列的两漩涡之间的距离L之比满足h/L=0.281时，所产生的涡街才是稳定的。

漩涡列在漩涡发生体下游非对称地排列。设漩涡的发生频率为f，被测介质的平均速度为U，漩涡发生体迎面宽度为d，表体通径为D，则根据卡门涡街原理，圆柱体后漩涡发生的频率可用下式表达：

式中：v---漩涡发生体两侧平均流速，m/s；

      St---斯特劳哈尔数

      m---漩涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比，其值为

管道内体积流量Qv为

令可得Qv=Kf

式中：K---流量计的仪表系统；

      f---脉冲数。

     K除与漩涡发生体、管道的几何尺寸有关外，还与斯特劳哈尔数有关。从实验可知，正常测量范围的雷诺数为2×10?~7×10?，流体速度v与漩涡脱落频率的关系是确定的。也就是说，对于圆柱形漩涡发生体，在这个范围内它的St是常数，并约等于0.2，与理论计算值吻合的很好。对于圆柱形式的漩涡发生体，其St值也是常数，但有它自己的数值。

从上式可知，流量Qv与漩涡脱落频率f在一定雷诺数范围内成线性关系。涡街流量计正是利用上述原理制成的，因此，也将这种流量计称为线性流量计。

 

2、气体流量计结构

气体流量计是利用流体通过阻碍物时产生稳定的漩涡，通过测量其漩涡产生频率而实现流量计量的。涡街流量计由涡街流量传感器和流量显示仪表两部分构成。由于各个生产厂家的产品结构的差异主要是在流量显示仪表方面，因而这里主要介绍涡街流量传感器。

在应用卡门原理推导频率与流速关系式时，使用了涡街的稳定条件：间隔比h/L=0.281，这说明漩涡产生的频率受到一定的漩涡空间构造影响，而漩涡的空间结构与漩涡发生体的形状有关。

另外，在前面的讨论中，我们还应该注意到：

1、在上述推导过程中，均是在一维流动的条件下的，然而在圆管中的流动，是具有轴对称分布的三维流动。

2、在上游有管道存在的条件下，会有附加的流速分布畸变、旋流、波动等不稳定因素。

上述两点都会对漩涡的稳定性与规律性产生重要的影响。所以，在涡街现象发现以后的很长时间内，一直未能用来进行测量流量，除了信号检测技术以外，上述两点也是重要的原因。为了克服上述因素带来的影响，必须对漩涡发生体形状有一定要求，使管内的漩涡发生体处的流动尽量接近二维流动，以控制三维流动中漩涡发生体发出的漩涡相位，使涡线弯曲变得极小。

由此可见，漩涡发生体形状对漩涡的发生有决定性的影响。

1、漩涡发生体形状的基本要求

漩涡发生体的形状有很多种，但它们必须具有一些相同的基本要求：

a、有钝的（即非流线型的）截面形状---这是产生漩涡的条件；

b、上、下截面形状相同，并且左右对称---流动接近二维流动的条件；

c、边界层分离点事固定的---斯特劳哈尔数St恒定。

同时，漩涡发生体在管道中的安装位置必须严格对称。漩涡发生体上游必须有直径为10D（D为管道内径）以上的直管，下游必须有直径为5D以上的直管。

2、漩涡发生体的基本结构

漩涡发生体形状有圆柱、三角柱、T型柱、四角柱等，以下主要介绍圆柱与三角柱这两种形式。

a、圆柱形漩涡发生体。前面关于漩涡理论部分的内容就是以圆柱为例进行讨论的。虽然这种形式使用较早，但严格地说，在高流速下它的斯特劳哈尔数St并不稳定。因此，人们就将其改进成开狭缝或开导压孔形式。

开导压孔的圆柱漩涡发生器如图6所示。由于有导压孔存在，在而当漩涡发出的同时产生的交替升力将使流体通过导压孔流动，产生一边吸入，一边吹出的效果。当流体附面层在圆柱表面开始分离时，在吸入一侧，分离被抑制；在吹出一侧，分离被促进发生。这样就可使流体分离点的位置固定下来，也就可以使斯特劳哈尔数St相对稳定。

b、三角柱形漩涡发生体。目前采用较多的漩涡发生体是三角柱形的，其形状一般由实验确定。它不仅可以得到比圆柱更强烈的漩涡，而且它的边界层分离点是固定的，即其斯特劳哈尔数St相对恒定，大约为St=0.16。这样，涡频与流速的关系为f=0.16u/d，其中d为三角柱的底边宽度。三角柱漩涡发生体的形状如图7所示。

c、检测频率的方法

圆柱体表面开有导压孔，与圆柱体内部空腔想通。空腔由隔板分成两部分，在隔板的中央部分有一小孔，在小孔中装有检测流体流动的铂电阻丝。

当漩涡在圆柱体下游侧产生时，由于升力的作用，使得圆柱体下方的压力比上方高一些，圆柱体下方的流体在上下压力差的作用下，从圆柱体下方导压孔进入空腔，通过隔板中央部分的小孔，流过铂电阻丝，从上方导压孔流出。如果将铂电阻丝加热到高于流体温度的某温度值，则当流体流过铂电阻丝时，就会带走热量，改变其温度，也即改变其电阻值。当圆柱体上方产生一个漩涡时，则流体从上导压孔进入，由下导压孔流出，又一次通过铂电阻丝，并改变一次它的电阻值。由此可知：电阻值变化与流动变化相对应，也即与漩涡的频率相对应。所以，可由检测铂电阻丝电阻变化频率得到涡频率，进而得到流量值。当然，检测频率的元件不仅是铂电阻丝，还包括其他元件，具体检测元件与方法如表8所示。