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涡　街　流　量　计

发布时间：2009/10/20 阅读次数：3549 字体大小: 【小】【中】【大】

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四、分类与凡种类型产品简介

1. 分类

　　涡街流量计可按下述原则分类。
　　按传感器连接方式分为法兰型和夹装型。
　　按检测方式分为热敏式、应力式、电容式、应变式、超声式、振动体式、光电式和光纤式等。
　　按用途分为普通型、防爆型、高温型、耐腐型、低温型、插入式和汽车专用型等。
　　按传感器与转换器组成分为一体型和分离型。
　　按测量原理分为体积流量计、质量流量计。

2. 几种类型产品简介

　　各类涡街流量计性能比较如表3所示。

表3 不同检测方法涡街流量计比较

名称

检测变化量

检测技术

口径/mm

介质温度/^oC

范围度

雷诺数范围

简单程度

牢固程度

灵敏度

耐热性

耐振性

耐污能力

应用范围

检测原理

检测元件

热敏式涡街流量计

流
速
变
化

加热体冷却

热敏元件

25～200

-196～+205

15～30

10⁴～10⁶

△

√

清洁、无腐蚀液体、气体

超声式涡街流量计

声束被调制

超声换能器

25～150

-15～+175

3×10³～10⁶

△

√

△

√

小口径液体、气体

电容式涡街流量计

压
力
变化

压差作用

压差检测

膜片/电容

15～300

-200～+400

10⁴～10⁶

△

√

△

液体、气体、蒸汽

应力式涡街流量计

压差检测

膜片/压电片

50～200

-18～+205

10⁴～10⁶

△

√

液体、气体、蒸汽

振动体式涡街流量计

压差检测

圆盘/电磁

50～200

-268～-48

10～30

5×10³～10⁶

√

△

√

极低温液态气体

棱球/电磁

-40～+427

高温蒸汽

光电式涡街流量计

压差检测

反射镜/光电元件

40～80

-10～+50

3×10³～10⁵

√

△

√

低压常温气体

应变式涡街流量计

升力作用

应变检测

应变元件

50～150

-40～120

10⁴～3×10⁶

△

√

△

√

液体

应力式涡街流量计

应力检测

压电元件

15～300

-40～+400

10～20

10⁴～7×10⁶

√

液体、气体、蒸汽

注∶√-较好、△-一般、×-差。

　　以下简介几种类型VSF。

　　⑴ 应力式VSF

　　如图9所示，应力式VSF应用检测方式1）～4）（见二、2.），它把检测元件受到的升力以应力形式作用在压电晶体元件上，转换成交变的电荷信号，经电荷放大、滤波、整形后得到旋涡频率信号。压电传感器响应快、信号强、工艺性好、制造成本低、与测量介质不接触、可靠性高。仪表的工作温度范围宽，现场适应性强，可靠性较高，它是目前VSF的主要产品类型。

图9 应力式涡街流量计
1-表头组；2-三角柱；3-表体；4-联轴；5-压板；6-探头；7-密封垫；8-接头；
9-密封垫圈；10-螺栓；11-销；12-铭牌；13-圆螺母；14-支架；15-螺栓

　　但是，它对管道振动较敏感，是其主要缺点，几年来，生产厂家做了大量工作以弥补此缺陷：如对仪表本身结构，检测位置以及信号处理等采取措施；在管道安装减震方式下功夫；向用户提供选点咨询指导等，已经取得一定的进展，当然如测量对象有较强的振动还是不用为好。

　（2）电容式VSF

　　电容式VSF应用检测方式1）、2），安装在涡街流量传感器中的电容检测元件相当于一个悬臂梁（见图10）。当旋涡产生时，在两侧形成微小的压差，使振动体绕支点产生微小变形，从而导致一个电容间隙减少（电容量增大），另一个电容间隙增大（电容量下降），通过差分电路检测电容差值。当管道有振动时，不管振动是何方向，由振动产生的惯性力同时作用在振动体及电极上，使振动体与电极都在同方向上产生变形，由于设计时保证了振动体与电极的几何结构与尺寸相匹配，使它们的变形量一致，差动信号为零。这就是电容检测元件耐振性能好的原因。虽然由于制造工艺的误差，不可能完全消除振动的影响，但大大提高了耐振性能。试验证明，其耐振性能超过1g。电容式另一个优点是可耐高温达400^oC，温度对电容检测元件的影响有两方面：温度使电容间介电常数发生变化和电极的几何尺寸随温度而变，这些导致电容值发生变化，另一方面由于温度升高金属热电子发射造成电容的漏电流增大。试验证明，当温度升高至400^oC时无论电容值变化或漏电流增大都未影响仪表的基本性能。

图10 电容式检测元件

　　⑶ 热敏式VSF

　　热敏式VSF采用检测方式2）、3），如图11所示。旋涡分离引起局部流速变化，改变热敏电阻阻值，恒流电路把桥路电阻变化转换为交变电压信号。这种仪表检测灵敏度较高，下限流速低，对振动不敏感，可用于清洁、无腐蚀性流体测量。

图11 热敏式涡街流量计
R₁₁，R₁₂-热敏电阻

　　⑷ 超声式VSF

　　超声式VSF采用检测方式5），如图12所示。由图可见，在管壁上安装二对超声探头T₁，R₁，T₂，R₂，探头T₁，T₂发射高频、连续声信号，声波横穿流体传播。当旋涡通过声束时，每一对旋转方向相反的旋涡对声波产生一个周期的调制作用，受调制声波被接收探头R₁，R₂转换成电信号，经放大、检波、整形后得旋涡信号。仪表有较高检测灵敏度，下限流速较低，但温度对声调制有影响，流场变化及液体中含气泡对测量影响较大，故仪表适用于温度变化小的气体和含气量微小的液体流量测量。

图12 超声式涡街流量传感器

　　⑸ 振动体式VSF

　　振动体式VSF采用检测方式2），如图13所示。在旋涡发生体轴向开设圆柱形深孔，孔内放置软磁材料制作的轻质空心小球或圆盘（振动体），旋涡分离产生的差压推动振动体上下运动，位于振动体上方的电磁传感器检测出旋涡频率。它只适用于清洁度较高的流体（如蒸汽），可用于极高温（427^oC）及极低温（-268^oC），这是其特点。

图13 振动体式涡街流量计

　　⑹ 升力式涡街质量流量计

　　旋涡分离的同时，旋涡发生体受到流体作用的升力，升力F的大小为
　　　　　　　　　　　　　　F=C_LρU²/2 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（5）
式中　　C_L-旋涡发生体升力系数。
　　以式（5）除以式（1），经整理后可得质量流量q_m
　　　　　　　　　　　　　　q_m=ρU(π/4)D²=πD²Sr/2C_Lmd×F/f　　　　　　　　　　　　（6）
　　由式（6）可看出，质量流量q_m与升力F成正比。图14为原理框图。从压电检测元件取出旋涡信号，经电荷转换器后分两路处理：一路经有源滤波器、施密特整形器和f/V转换器，获得与流速成正比的信号；另一路经放大器、滤波器获得信号幅值与ρU²成正比的信号。这两路信号经除法器运算，获得质量流量。

图14 升力式涡街质量流量计原理框图

　　该方法结构简单，但信号幅值与压电元件稳定性、放大器稳定性、现场安装条件、被测介质温度等多种因素有关，测量精确度难以提高。

　　⑺ 差压式涡街质量流量计

　　流体通过旋涡发生体，产生旋涡分离和尾流震荡，部分能量被消耗和转换，在旋涡发生体前后产生压力损失
　　　　△p=C_DρU²/2 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（7）
式中　　 C_D-涡街流量传感器阻力系数。
　　以式（7）除式（1），经整理后得质量流量q_m
　　　　　　　　　　　　q_m=ρU(π/4)D²=(πD²Sr/2mdC_D)(△p/f) 　　　　　　　　　　　　（8）
　　图15示为差压式涡街质量流量计原理框图，传感器输出与体积流量成正比的频率，差压单元测出旋涡发生体前后特定位置的差压△P，经计算单元计算，获得质量流量q_m。选择阻力特性和流量特性俱佳的旋涡发生体，确定取压孔位置，建立C_D的数学模型是技术关键。

图15 差压式涡街质量流量计

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