《建筑环境与能源应用工程专业综合实验》 教案 3-23涡街流量计

涡街流量计涡街流量计由传感器和转换器组成，外观如图1所示。图1涡街流量计外观在流动的流体中放置一根其轴与流向垂直的、有对称形状的非流线形状柱体（如圆柱、三角柱等），该柱体称为旋涡发生体。当流体绕过旋涡发生体时，出现了附面层分离，在旋涡发生体下游产生两列不对称、但有规律的旋涡列，这就是卡门涡街（REF_Ref14945\h图2）。圆柱体（b）三角柱体图2等边三角形体的涡街发生情况经研究发现，当两旋涡列之间的距离h和同列的两个旋涡之间的距离L满足h/l=0.281时，所产生的涡街是稳定的。此时旋涡的分离频率f与旋涡发生体处流体平均流速u1及柱宽d f=Sru1d式中的Sr为斯特劳哈尔数（Strouhal），它与旋涡发生体形状及雷诺数有关。在雷诺数ReD为3×102～2×105范围内，Sr是个常量。对于三角柱旋涡发生体，Sr=0.16；对于圆柱旋涡发生体，涡街流量计，由于管道内插有旋涡发生体，所以旋涡发生体处的平均流速u1与管道的平均流速u不同。根据连续性方程，将旋涡发生体处的平均流速u1换算为管道的平均流速u。当d/D<0.3（D为管道内径）时，可以得到圆管中旋涡发生频率f与管内平均流速 f=Sr1-1.25d由此可以得到流过管道的体积流量qV qV=πD2由REF_Ref22175\h式（3）可知，流量qV与旋涡发生频率f在一定雷诺数范围内呈线性关系，因此也将这种流量计称为线性流量计。旋涡发生体形状不同，测量旋涡发生频率f所采用的检测元件及方法也不一样。常用的检测方法有热敏式、超声式、应力式、应变式、电容式、光电式和电磁式等几种。REF_Ref1210\h图3为用热敏电阻作为检出元件的三角柱涡街流量计的原理图。在三角柱的迎流面中间对称地嵌入两个热敏电阻，因三角柱表面涂有陶瓷层，所以热敏电阻与柱体是绝缘的。在热敏电阻中通以恒定电流，使其温度在流体静止的情况下，比被测流体高10℃左右。在三角柱两侧未发生旋涡时，两只热敏电阻温度一致，阻值相等。当三角柱两侧交替发生旋涡时，在发生旋涡的一侧因旋涡耗损能量，流速低于未发生旋涡的另一侧，其换热条件变差，故这一侧热敏电阻温度升高，阻值变小。用这两个热敏电阻作为电桥的相邻臂，电桥对角线上便输出一列与旋涡发生频率相对应的电脉冲，经放大、整形后得到与流量相应的脉冲数字输出，或用转换电路转换为模拟量输出。图3三角柱涡街流量计原理图涡街流量计转换器包括前置放大器、滤波整形电路、D/A转换电路、输出接口电路等。涡街流量计在选用时，要使测量的流量与流量计的测量范围相符合。测量介质温度变化时，应对流量公式进行修正。管内流速分布畸变、旋转流等对卡门涡街的稳定分离有影响，为保证测量的正确，应提供必要的上、下游直管段。一般情况下，涡街流量计上游侧应有（20～40）D（变送器公称直径）的直管段，下游侧需不小于5D的直管段；流量计两侧的管路应用减振架加以固定，以减小管路振动噪声的影响。当需要测量流体的压力、温度时，测压孔的位置应设在流量计下游（4～5）D处，测温孔的位置应设在流量计下游（6～8）D处。涡街流量计可以水平、垂直或任意角度安装。测液体时若垂直安装，流体应自下而上流动。安装旋涡发生体时，应使其轴线与管道轴线相互垂直。涡街流量计量程比较宽（线性测量范围宽达30﹕1），结构简单，无运动部件，检测元件