氣體流量計的測量原理與結構

1、氣體流量計工作原理

渦街流量計實(shí)現流量測量的理論基礎是流體力學(xué)中著(zhù)名的“卡門(mén)渦街”原理。在流動(dòng)的流體中垂直插入一個(gè)稱(chēng)作旋渦發(fā)生體的對稱(chēng)形狀的物體（如圓柱體、三角柱體），如圖1所示。當流體沿旋渦發(fā)生體擾流時(shí)，會(huì )在旋渦發(fā)生體下游產(chǎn)生不對稱(chēng)、但有規律的交替旋渦列，這就是所謂的卡門(mén)渦街。

由于旋渦之間的相互影響，其形成通常是不穩定的。馮·卡門(mén)對渦街的穩定條件進(jìn)行了研究，于1911年得到結論：只有當兩旋渦列之間的距離h和同列的兩漩渦之間的距離L之比滿(mǎn)足h/L=0.281時(shí)，所產(chǎn)生的渦街才是穩定的。

漩渦列在漩渦發(fā)生體下游非對稱(chēng)地排列。設漩渦的發(fā)生頻率為f，被測介質(zhì)的平均速度為U，漩渦發(fā)生體迎面寬度為d，表體通徑為D，則根據卡門(mén)渦街原理，圓柱體后漩渦發(fā)生的頻率可用下式表達：

式中：v---漩渦發(fā)生體兩側平均流速，m/s；

      St---斯特勞哈爾數

      m---漩渦發(fā)生體兩側弓形面積與管道橫截面面積之比，其值為

管道內體積流量Qv為

令可得Qv=Kf

式中：K---流量計的儀表系統；

      f---脈沖數。

     K除與漩渦發(fā)生體、管道的幾何尺寸有關(guān)外，還與斯特勞哈爾數有關(guān)。從實(shí)驗可知，正常測量范圍的雷諾數為2×10?~7×10?，流體速度v與漩渦脫落頻率的關(guān)系是確定的。也就是說(shuō)，對于圓柱形漩渦發(fā)生體，在這個(gè)范圍內它的St是常數，并約等于0.2，與理論計算值吻合的很好。對于圓柱形式的漩渦發(fā)生體，其St值也是常數，但有它自己的數值。

從上式可知，流量Qv與漩渦脫落頻率f在一定雷諾數范圍內成線(xiàn)性關(guān)系。渦街流量計正是利用上述原理制成的，因此，也將這種流量計稱(chēng)為線(xiàn)性流量計。

 

2、氣體流量計結構

氣體流量計是利用流體通過(guò)阻礙物時(shí)產(chǎn)生穩定的漩渦，通過(guò)測量其漩渦產(chǎn)生頻率而實(shí)現流量計量的。渦街流量計由渦街流量傳感器和流量顯示儀表兩部分構成。由于各個(gè)生產(chǎn)廠(chǎng)家的產(chǎn)品結構的差異主要是在流量顯示儀表方面，因而這里主要介紹渦街流量傳感器。

在應用卡門(mén)原理推導頻率與流速關(guān)系式時(shí)，使用了渦街的穩定條件：間隔比h/L=0.281，這說(shuō)明漩渦產(chǎn)生的頻率受到一定的漩渦空間構造影響，而漩渦的空間結構與漩渦發(fā)生體的形狀有關(guān)。

另外，在前面的討論中，我們還應該注意到：

1、在上述推導過(guò)程中，均是在一維流動(dòng)的條件下的，然而在圓管中的流動(dòng)，是具有軸對稱(chēng)分布的三維流動(dòng)。

2、在上游有管道存在的條件下，會(huì )有附加的流速分布畸變、旋流、波動(dòng)等不穩定因素。

上述兩點(diǎn)都會(huì )對漩渦的穩定性與規律性產(chǎn)生重要的影響。所以，在渦街現象發(fā)現以后的很長(cháng)時(shí)間內，一直未能用來(lái)進(jìn)行測量流量，除了信號檢測技術(shù)以外，上述兩點(diǎn)也是重要的原因。為了克服上述因素帶來(lái)的影響，必須對漩渦發(fā)生體形狀有一定要求，使管內的漩渦發(fā)生體處的流動(dòng)盡量接近二維流動(dòng)，以控制三維流動(dòng)中漩渦發(fā)生體發(fā)出的漩渦相位，使渦線(xiàn)彎曲變得極小。

由此可見(jiàn)，漩渦發(fā)生體形狀對漩渦的發(fā)生有決定性的影響。

1、漩渦發(fā)生體形狀的基本要求

漩渦發(fā)生體的形狀有很多種，但它們必須具有一些相同的基本要求：

a、有鈍的（即非流線(xiàn)型的）截面形狀---這是產(chǎn)生漩渦的條件；

b、上、下截面形狀相同，并且左右對稱(chēng)---流動(dòng)接近二維流動(dòng)的條件；

c、邊界層分離點(diǎn)事固定的---斯特勞哈爾數St恒定。

同時(shí)，漩渦發(fā)生體在管道中的安裝位置必須嚴格對稱(chēng)。漩渦發(fā)生體上游必須有直徑為10D（D為管道內徑）以上的直管，下游必須有直徑為5D以上的直管。

2、漩渦發(fā)生體的基本結構

漩渦發(fā)生體形狀有圓柱、三角柱、T型柱、四角柱等，以下主要介紹圓柱與三角柱這兩種形式。

a、圓柱形漩渦發(fā)生體。前面關(guān)于漩渦理論部分的內容就是以圓柱為例進(jìn)行討論的。雖然這種形式使用較早，但嚴格地說(shuō)，在高流速下它的斯特勞哈爾數St并不穩定。因此，人們就將其改進(jìn)成開(kāi)狹縫或開(kāi)導壓孔形式。

開(kāi)導壓孔的圓柱漩渦發(fā)生器如圖6所示。由于有導壓孔存在，在而當漩渦發(fā)出的同時(shí)產(chǎn)生的交替升力將使流體通過(guò)導壓孔流動(dòng)，產(chǎn)生一邊吸入，一邊吹出的效果。當流體附面層在圓柱表面開(kāi)始分離時(shí)，在吸入一側，分離被抑制；在吹出一側，分離被促進(jìn)發(fā)生。這樣就可使流體分離點(diǎn)的位置固定下來(lái)，也就可以使斯特勞哈爾數St相對穩定。

b、三角柱形漩渦發(fā)生體。目前采用較多的漩渦發(fā)生體是三角柱形的，其形狀一般由實(shí)驗確定。它不僅可以得到比圓柱更強烈的漩渦，而且它的邊界層分離點(diǎn)是固定的，即其斯特勞哈爾數St相對恒定，大約為St=0.16。這樣，渦頻與流速的關(guān)系為f=0.16u/d，其中d為三角柱的底邊寬度。三角柱漩渦發(fā)生體的形狀如圖7所示。

c、檢測頻率的方法

圓柱體表面開(kāi)有導壓孔，與圓柱體內部空腔想通?？涨挥筛舭宸殖蓛刹糠?，在隔板的中央部分有一小孔，在小孔中裝有檢測流體流動(dòng)的鉑電阻絲。

當漩渦在圓柱體下游側產(chǎn)生時(shí)，由于升力的作用，使得圓柱體下方的壓力比上方高一些，圓柱體下方的流體在上下壓力差的作用下，從圓柱體下方導壓孔進(jìn)入空腔，通過(guò)隔板中央部分的小孔，流過(guò)鉑電阻絲，從上方導壓孔流出。如果將鉑電阻絲加熱到高于流體溫度的某溫度值，則當流體流過(guò)鉑電阻絲時(shí)，就會(huì )帶走熱量，改變其溫度，也即改變其電阻值。當圓柱體上方產(chǎn)生一個(gè)漩渦時(shí)，則流體從上導壓孔進(jìn)入，由下導壓孔流出，又一次通過(guò)鉑電阻絲，并改變一次它的電阻值。由此可知：電阻值變化與流動(dòng)變化相對應，也即與漩渦的頻率相對應。所以，可由檢測鉑電阻絲電阻變化頻率得到渦頻率，進(jìn)而得到流量值。當然，檢測頻率的元件不僅是鉑電阻絲，還包括其他元件，具體檢測元件與方法如表8所示。