涡街流量计的研发过程

涡街流量计若能在质量流量丈量方面能获得普遍应用，质量流量计具备不可替代的优势。具备重要意义

已开拓涡街流量计是依据流体振撼频率与流速有对应关联的原理管事的自20世纪60年代末开端研制至今。

并在管道流量丈量中出鼎盛类型阻流体及检测法的涡街流量计。

跻身通用流量计之列。涡街流量计之所以会受到如此青睐，获得普遍应用。与它所具备的特点密不可分。开初它输出的与流量成正比的频率信号，并且频率信号不受流

可靠性高；构造简略雄厚，体组分、密度、压力、温度的影响；量程范围较宽；度为中上程度；无可动部件。建筑维护省事，维护费较低；应用范围普遍，可实用液体、气体和蒸气。不过该当看到涡街流量计尚属发展中的流量计，无论其理

至今其流量方程不时引用卡门涡街理论，论基础依然推行经验尚较差。一方面。而此理论及其一些定量关联是卡门在气体风洞（均匀流场）中试验得出的

推与复旧管道中具备三维不均匀流场的旋涡仳离的依序是不无别的另一方面。

涡街流量计的基础研讨管事必行经验更是需求甘愿答应深远应用才气积聚。因此。

否则在实用中会出现一些预见不到纰漏。须跟上。

海内外科研管事者针对涡街流量计在应用中出现的纰漏，近年来。运用谋划机数值仿真技能、微电子技能及

涡街流量计应用范畴放宽了大批研讨，抢先创建技能。并索要了必需效果。

1涡街流量计测量原理

流体管道中插入必需形状的旋涡发生体（阻流体）当流体绕过发生体后，涡街流量计的丈量原理如图1所示。

这种旋涡称为卡门涡街。驰过推导，发生体两侧会交替发生法规的旋涡。流体的体积流量Q与漩涡频率f适宜下面公式：

Q=f/K1

必需雷诺数范围内K为常数，式中：K为流量计的流量系数。流量Q与漩涡频率f成线性关联。因此，只要测出f就能求颜面积流量Q

2涡街流量计文献综述

涡街流量计自上世

深受昌大用户欢迎，纪70年代投放市场以来。现时已普遍应用于石油化工、冶金、平板、轻纺、制药等工业范畴中，动作管道中液体、气体、蒸汽的计量和工业进程控

丈量的度制中不可短缺的流量丈量仪表。涡街流量计实用的管道口径平常在300mm以下。

平常液体平均流速下限为0.5m/气体为4~5m/对于液体大抵在±O.5%~士1%对于气体在±1%~±2%反复性平常为0.2%~0.5%涡街流量计虚假用于丈量低雷诺数（ReD≤2104流体。

生产的涡街流量计也占据了必需的市场

绝伦是涡街产生体的形状设计上，份额。纷歧公司生产的产品具备纷歧的特点。各有千秋，有梯形、长方形、T形，还有多产生体等，对涡街信号的检测也有纷歧方法

涡街信号处置上为抬高丈量精度，选用的元件有压电元件、热敏元件、超声波、电容元件等。也有各自独占的一些技能。

无论在理论研讨依然现实应用中，涡街流量计属于发展中流量计。都有一些还未解决的纰漏，近年来，引起了海内外普遍的关切，绝伦在以下几方面进行了大批研讨。

1对旋涡仳离依序的研讨

既当流体绕流非流线形物体（又称钝体）时，涡街流量计的丈量原理是基于钝体绕流现象。

旋涡衰败的频率与流体流动速度之间必需流停工况下会发生钝体后部的旋涡衰败现象。

利用这一关联，永存必须关联。甘愿答应对旋涡频率的检测实现流量的丈量。对钝体绕流纰漏的研讨至今已有一百多年的历史。1912年卡门（VonKamman编制地研讨

获得了一系列研讨效果。不过，流体绕流物体诱发振撼的大规模研讨管事是20世纪50年代开端的至今已发布了大批研讨论文。钝体绕流现象是一

涉及到流动的仳离、旋涡的生成和衰败、旋涡的相互滋扰等纰漏，种繁琐的流动现象。受到诸如流体流停工况、紊流度、柱体形式和光洁度等许多因素的影响，当然驰过

有了必需的起家，深远的研讨。但其中许多枝节的理论纰漏依然没有获得令人中意的结果，并永存着纷歧的观点和研讨方法，绝伦是高雷诺数条件下的绕流纰漏尚待

对流体绕流时旋涡衰败特色的研讨，进一步研讨。所以。对于深化和发展流身体学中的旋涡流动理论具备重要的学术意义。

Gerrard文献中对尾流中的涡街造成机制给出了一种物理描绘，旋涡衰败模式上。提出剪切层相互功能模式，即涡街造成的决策性因素是物体后的二个仳离剪切层的相互功能。

Bentli分别在1996年和2003年设计出多种形状的双发生体涡街流量计，凭据这一理论。

并索要必需后果。其他科研管事者PerriCoutancean等也对尾流特色进行了深刻研讨，来抬高丈量性能。提出尾迹怒放模式、二次涡振荡模式和近尾迹肯定烦躁然模式等涡街造成理论。Zdravkovich综述性文章中，也对各种纷歧涡街模

提出涡街造成机制并不是团结的和*的会永存变异，式进行了论述。绝伦是当

革新会更大。这些研讨结果大片面是甘愿答应试验观测获得的理论上还有待于作进一步剖析和论证。雷诺数纷歧时。

数值仿真谛论的发展，旋涡脱掉队的流场特色与钝体形状和雷诺数紧密相干。近年来随着谋划机技能的进步。

从低雷诺数拓展到高雷诺数，对流场特色的研讨从二维拓展到三维。设立更切近于现实的数学模型，来剖析流体绕流后的流动特色。钝体的形状千变万化，比拟有类型意义的圆柱、方柱和梯形柱，其他形状能够由此演化

甘愿答应对三维钝体绕流在比拟宽的雷诺数范围内进行了研讨，而得。Williamson文献中。剖析了Strou

觉察了一些原先在二维研讨中没有推敲到新的现象。随着雷诺数的回升，hal数和压力系数与雷诺数的关联。尾流从层流涡街向湍流涡街转变，并视察到涡街的三维特色，如流体绕过圆柱钝体后出现的涡的位错，涡街的倾斜，

甘愿答应可视化试验技能视察和相位的突变和扩大等。Goujon-Durand等在文献中。

用激光多普勒测速仪测量了尾流中流体速度，剖析了梯形钝体后的涡街动态特色。获得由涡街引起的速度周期性动荡的大幅值及出现的地位与雷诺数关

发当今钝体后纷歧地位，联。速度的动荡幅值是纷歧的随着涡向拙劣活动，速度幅

某一地位来到大值后，值先回升。再迟笨衰减。速度大幅值和出现地位与雷诺数满足必需关联。Kahawita文献中，用分步样条算法对上述试验进行数值仿

获得了相通的结果，真。证明了该算法的有效性。文献中用此算法对纷歧的梯形形状进行数值筹划，得出梯形形状参数中高度是影响Strouhal数的首要因素。

如雷诺平均对涡街流场的数值仿真谋划也从二维的过渡到三维的湍流方程的求解也有多种方法。

涡方法等。文献中，大涡因袭。选用了各种数值算法对纷歧形状钝体纷歧雷诺数进行仿真筹划，低雷诺数条件下，结果较好，多半能有效的仿真和揣测涡街的造成和

Strouhal数的谋划精度也较高。高雷诺数情势下，发展进程。涡街的造成机制较繁琐，还有待于进一步深刻研讨。数值仿果真算法也有待于改进，渴望获得既有较高的求解精度，又能调低谋划机内存和谋划时刻恳求的新算法。

2对旋涡（涡街）发生体形状的研讨

仪表的流量特色（仪表系数、线性度、范围度等）和阻力特色都与它几何形状、几何参数和罗列道路紧密相干。但旋涡发生体几何参数至今旋涡发生体是涡街流量计的环节部件。

大多甘愿答应试验肯定，还没有比拟能干的谋划方法。现时用的比拟多的圆柱、三角柱、矩形柱、梯形柱和T形柱等5种。为了获得较好的仪表性能，海内外科研管事者甘愿答应试验和数值仿真筹划，改良旋涡发生体形状和多旋涡发生体方面

进行了一些有益的摸索。

对T形旋涡发生体形状，Miau等在文献中。绝伦是T形的延长段长度L和迎流面宽度D之比值L/D进行了研讨

驰过一系列试验后，纷歧的L/D获得的涡街信号纷歧。获得L/D值在1.56~2.0时，涡街信号强，信噪比高，并且仪表线性度。Nakamura文献

对各种带有延长段的发生体作了更具体的研讨，中。发生体的前段形状有圆形、半圆形、半圆形与矩形化合、矩形和三角形等，宽度为D同时变换发生体背后延长

St数随着L/D回升而减小，段长度L觉察对St数影响大的因素是L/D而不是发生体形状。这是因为发生体延长段长度会变换尾流涡街造成区域的流场构造，这将给

针对超声涡街频率检测方法，涡街流量计中旋涡发生体形状和参数设计带来赞助。Han等在文献中。对纷歧形状的发生体，如：三角柱、梯形柱、倒三角柱（三角形的尖角动作迎流面）及带有螺纹的圆棒等，进行了剖析，凭据获得信号的时域及

觉得带有螺纹的3mm圆棒在100mm管道中具备的特色，频域波形。并且压力流失小。

双发生体及多发生体方面也有良多新的研讨报道。Olsen等对直径倾向带有必需宽度槽的圆柱发生体进行研讨，除了单产生体形状参数方面的研讨除外。单圆柱发生体变为双

这时造成的涡街强度和平安性优于单圆柱发生体。Igarashi将这种半圆的双产生体。

觉得其线性度、迅疾度和压损均比太古的梯形发生体要好。Bentlei文献中，双半圆发生体应用于涡街流量计。剖析了单、双产生体的涡街造成机制，重点研讨了双产

生体纷歧形状纷歧地位的成立对测量的影响。Yih-Je-naJan等在文献中对双产生体的

生成的涡街具备较强的旋涡强度和较好的平安性，涡街流量计进行了数值仿真筹划。海内的龚鼓起、彭杰纲等也先后研讨并研制了双发生体涡街流量计。压力流失小，并且能调低涡街流量计测量下限。

迄今为止，这些研讨首要还设立在试验基础上。还不可说哪一种形状堪称佳。因此，理论和试验上还需求进一步研讨，能给出旋涡发生体形状和参数通用的设计准则。

3对涡街信号检测方法的研讨

随同旋涡的造成和仳离，流体甘愿答应旋涡发生体后。旋涡发生体方圆流懂得同步发生流速、压力革新和

压电元件，拙劣尾流周期振荡。依据这些现象能够进行旋涡仳离频率的检测。现时常用的检测方法按传感器来分首要有：热敏元件。电容元件，应变元件等，其中以压电元件应用为普遍。对涡街信号检测方法的研讨表当今对已有

检测方法的改进和新传感技能在涡街频率检测方面的应用。针对压电传感器在工业

Miau等人甘愿答应试验证明了压电物资外层包以橡胶，现场应用时永存的抗振性差的纰漏。再在外观敷设一层硅膜，能有效减低压电晶体对外界振撼的迅疾度。日

觉察用两片反向建筑的压电元件作检测元件，本横河电机有限公司研讨了旋涡升力和管道振撼引起的应力散布的纷歧。感受到由旋涡升力引起的电荷量两倍于单个压电元件，而由外界引起的滋扰噪声能片面获得抵消。

对超声检测涡街频近来电子技能的发展为涡街信号的检测供给了许多新的手法。Han等在文献中。

旋涡发生体拙劣对称建筑超声波发射换能器及吸取换能器，率进行了一系列的剖析。超

受到旋涡信号的调制，声波在流体中传布时。经信号处置后能获得涡街频率信号。这种方法具非斗殴测量的上风，并具备较高的丈量迅疾度，相应涡街

能有效的减小压损。但只实用于温度革新较小的气体和含气量很小的液体流量的丈量。王波、周晓军等提出用光纤传发生体迎流面规范比平常的涡街流量计小。

利用光纤内光强度的革新来进行测量，感器检测涡街频率。这种方法能抗电磁滋扰，抗环境噪声，具备电器绝缘性，但丈量编制较繁琐，还在设计模型阶段。莫德

凭据电磁感应定律，举等在文献中提出在旋涡发生体拙劣建筑常久磁铁和信号电极。用电磁法检测涡街频率。Beta等在文献中将电感传感器用于涡街频率的检测，

这些新型传感器获得一连推行和丰盈，获得了较好的后果。渴望在不久的明天。生产现场能获得普遍的应用。

4对涡街信号剖析及处置的研讨

因此在工业现场应用时，涡街流量计在骨子上是流体振撼型流量计。管道及各种装备振撼引起的滋扰

海内外针对这一纰漏从涡街信号处置的角度放宽了大批研讨。会调低测量精度。近年来。

抬高丈量精度，A madi-Echendu等提出选用谱剖析方法剖析涡街原始信号。并凭据原始信号特

以监测编制运行。徐科军等也选用了多种谱剖析方法处置涡点设立仿真信号表达式。

此频率即为涡街频率，街信号。Blischk蒙建波和徐科军等提出基于自顺应建模的自顺应陷波方法”陷波器掌握一个特定的频率。并且该频率几乎不受

旋涡发生带宽除外频率的影响。Menz将多传感器交融技能应用于涡街频率测量。

涡街频率可甘愿答应两种方法获得：一是直接甘愿答应一路超声信号获得，体拙劣建筑两路超声波传感器。二是对两路超声信号作相干处置，获得旋涡先后甘

愿答应两测量点的时刻来谋划涡街频率。*的涡街频率是将两种丈量原理按必需算法交融在总计后获得的比常用的只用一路信号的丈量方法精度高。Hondoh

以微处置器为中央，文献中。选用频谱信号处置技能，利用信号频谱剖析的结果，

以退却噪声，排解带通滤波器参数。抬高丈量精度。徐科军、张涛等还提出用

去除噪声，小波变换的带通滤波特色对涡街传感器信号进行滤波。以便准确提取涡街频率消息。对涡街信号的剖析和处置大多是设立在二次仪表基础上，真确投入现

设立一种通用信号模板，实应用还需求深刻剖析流体振撼源特色。解决滋扰情势下涡街信号和噪声信号的仳离，以准确获得涡街频率引。

海内外在涡街流量计智能化研讨方面也索要了必需效果，除了上述研讨热门处。将涡街流量计用于多相流测量的研讨也有报道，限于篇幅，此不一一详述。

3研讨的难点和趋势

1涡街流量计的理论基础还很懦弱

流场对旋涡衰败的研讨大多是气体风洞即均匀流场中进行的而涡街流量计应用于复旧管道。

其旋涡仳离依序与均匀流场中的旋涡仳离不*相仿，具备三维不均匀性。J.J.Miau

对涡街流量计的丈量不肯定度进行了剖析，文献中。证明斯特罗哈尔数St和雷诺数Re很大范围内是非线性关联，与管道内流场的三维不均匀性有关，这对涡街

为涡街流量计设计供给理论依据。流量计的丈量精度发生很大影响。因此需求流身体学管事者从流量计应用角度对旋涡衰败的流体振撼依序进行深刻研讨。

2涡街流量计应用范围的扩大

高粘度、低流速和小口径情势下难以正确丈量，涡街流量计的应用由于雷诺数的局限。量程受限

传感器构造方面作优化设计，这需求在旋涡发生体形状。以顺应纷歧的丈量恳求。

涡街流量计可正常测量的温度、压力和管道口现时由于涡街频率丈量元件的局限。

高可蒙受压力为15MPa可测径有必须恳求。如测量的温度范围为-200℃~400℃。

为涡街流量计的管事范围的扩大供给了兴许。量管径的范围为12.5~300mm随着新的频率检测技能和新的传感技能的一连显露。

3涡街流量计应用于质量流量的丈量

涡街流量计当今

工业进程自拔编制的发展，大多用于体积流量的丈量。随着能源计量和治理的加紧。对流量测量的恳求不单仅勾

良多场所如工业生产中各种原料的配比或品德的控制、物料输送、能源输送、业务结算等往往都需求明确质留在体积流量的丈量上。

从太古的体积流量计，量流量。质量流量丈量是现时流量丈量中的重点也是难点纰漏。驰过改进、丰盈与抬高，发展成质量流量计，质量流量丈量技能发展的

也是当前研讨的一个热门纰漏。海内外科研管事者都已提出将涡街流量计用于丈量质量流量的方法，一个重要方面。但在传感器构造，丈量精度等方面还需求进一步丰盈。

本文作者

提出利用单一差压传感器丈量质量流量对涡街流量计丈量原理及检测技能进行深刻研讨。

其丈量原理如图2所示。新方法。

涡街产生体的高拙劣管壁各成立一取压口。上游的取压口用于检测流体在甘愿答应涡街产生体

这时的压力是一安然值；拙劣取压口测量获得的压力反响了流体流过涡街前的静压。

如图3所示。高拙劣差压ΔP平均值即为压力流失，发生体后的压力流失及发生旋涡后引起的压力动荡。可再现为：

1

式中：Cp-压力系数

ρ-流体密度

U-流体平均流速

与流速U成正比，差压动荡的频率f为涡街频率。两者之间关联如式（2所示：

2

式中

St-斯特劳哈尔数

U1-旋涡发生体两侧平均流速

d-旋涡

发生体迎流面宽度

U-被测介质来

流的平均速度

m-旋涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比

式（1除以（2后能够获得：

md涡街发生体标准参数，3因为St和Cp必需的雷诺数范围内是常数。也是常数，所以ΔP/f正比于ρU质量流量qm可再现为：

qm=ρUA 4

式中A为流体管道的截面积。比拟式（3和式（4可得：

Km即为仪表的质量流量系数，式中。即仪表系数，一个与旋涡发生体形状、规范、高拙劣取压孔地位等

要正确丈量质量流量，有关的物理量。Km必需在必需雷诺数范围内维系常数。Km值能够甘愿答应试验丈量定标获得。

只要丈量获得涡街发生体高拙劣的差压信号，因此。从中获得流体流经发生体的压力降和涡街频率值f经谋划就能够直接获得流体的质量流量。

利用差压检测技能，这一方法微妙利用涡街发生体具备的流量特色和阻力特色。甘愿答应单路差压传感器

丈量流体的质量流量，同时感受由涡街发生体引起的流体双重革新特色。同时该方法还具备较好的抗滋扰性。这一方法现时还处于试验室研讨阶段，还需求进一步丰盈以产品化。

也可用于气体流量的丈量，由于涡街流量计既可用于液体。相比其他直接质量流量计如科氏质量流量计和热式