西森自动化:涡街流量计的结构和设计

涡街流量计如图所示，由传感器和转换器两部分组成。传感器包括表体、旋涡发生体、检测元件、安装架和法兰等。转换器包括前置放大器、滤波整形电路、接线端子、表壳等。近年来，智能式仪表还将CPU、存储单元、显示单元、通信单元及其他功能也装在转换器中，形成智能组合型涡街流量计。

旋涡发生体

旋涡发生体是涡街流量计的关键件，一般采用不锈钢制成，仪表的流量特性（如仪表系数、线性度、范围等）和阻力特性(如压力损失）都与旋涡发生体密切相关。旋涡发生体有圆柱形、梯形柱、三角柱、T形柱、矩形柱等；按结构又可分为单体和多体。旋涡发生体的基本形状如图所示。

圆柱形旋涡发生体是形状最简单的旋涡发生体，加工方便，阻力系数小，St比较高，但是随着雷诺数的变化，其旋涡分离点随着圆柱表面移动，涡街的稳定性和仪表线性度较差，现基本不用。单体三角柱形旋涡发生体是应用最广泛的一种。多体旋涡发生体由主发生体和辅助发生体组成，位于上游的发生体起分流和起旋作用，位于下游的发生体可起到提高涡街强度和稳定旋涡的作用。双体或多体旋涡发生体是为了提高涡街强度和稳定性，降低下限雷诺数和阻力系数而逐步采用的。这里给出其中几种基型旋涡发生体的特性（见表)，供设计时参考。

基型旋涡发生体的特性

旋涡发生体是检测器的核心，它的形状和尺寸对涡街的强度、稳定性、信噪比有着密切的关系。

设计发生体时，要求旋涡强度大，即可以获得稳定的旋涡，另一方面其形状又要使他的阻力系数不要太大。目前理论设计资料极少，一般采用相似原理，来确定其他规格的相应参数，这里给出作者设计的资料以供大家设计时参考：

(1)三角柱旋涡发生体

三角柱旋涡发生体如图所示。

其尺寸关系如下：

d/D=0.2～0.3；

C/D=0.1～0.2；

b/d=1～1.5；

Q=15°～65°。

(2)T形旋涡发生体

T形旋涡发生体如图所示。

其几何尺寸关系：

d/D=0.27；

h/d=1.2；

h/b=4.1；

b/c=6.67〜8；

g/b=1.25；

Q₁=60°；

Q₂= 19°。

这里给出T形发生体尺寸（见表)，以供参考。

T形发生体尺寸表

检测元件

检测元件大都安装在下游发生体内，或上下游附近。早期的旋涡发生体，都是单体的，检测元件都是安装在旋涡发生体内的；现在多采用压电元件型，即多体旋涡发生体，上游的发生体起分流和起旋作用，位于下游的发生体除起提高涡街强度和稳定旋涡作用外，因为发生体内安装有检测元件，还起着检测旋涡频率的作用，一般生产厂家把它叫做探头。随着现代生产的专业化，已有厂家专一生产探头销售，如武汉市航宇压电科技有限公司就生产涡街流量传感器用的检测头（探头）。如有刚起步生产涡街流量计的企业，自己对检测头不明白就可以先购买，当自己掌握加工、封装技术后再自己设计加工生产。

旋涡信号的检测技术很多，主要有受力检测和流速检测两类，受力检测一般有应变、应力、电磁、电容等检测技术；而流速检测一般有光电、热敏、超声等检测技术。

(1)应力式涡街流量计

应力式结构现一般采用双体发生体，上游发生体一般用三角柱发生体，下游发生体采用探头，其发生体安装相互位置如图所示。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、整形后得到漩涡频率信号。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，仪表工作温度范围宽，现场适用性强，可靠性较高，它是涡街流量计的主要产品类型。但它对管道振动较敏感，设计时要引起注意。

(2)电容式涡街流量计

电容式结构：在涡街流量计的传感器中的电容检测元件相当于一个悬臂梁，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和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。电容式的最大优点是耐温高达400℃，当温度升高到400℃时，无论电容值变化或漏电流增大都未能影响仪表的基本性能。

(3)热敏式涡街流量计

热敏式结构是将热敏电阻安装在发生体内或装在发生体迎流面上。旋涡分离引起局部流速变化，改变热敏电阻值，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。

(4)超声式涡街流量计

超声式结构是在管壁上安装两对超声探头，一对发射高频、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转换成电信号，经放大、检波、整形后得到旋涡信号。这种方式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有的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。

(5)振动体式涡街流量计

振动体式结构是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的小球或圆盘（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（如蒸气），可用于极高和极低温度的测量。

(6)光电式涡街流量计

光电式涡街流量计的旋涡分离产生的差压被引到外面，作用到可绕拉紧带摆动的反射镜上，发光管发射的光被发射到光电管，反射镜受交变差压作用而摆动，光电管接收到的光强同步变化， 通过光电放大器、整形电路输出涡街脉冲信号。采用光纤传感器同样可以测量涡街信号。

涡街流量计被测介质有液体、气体和蒸气，应避免多相流和高黏度流体；测量精度为0.5%～2%；重复性为0.2%〜0.25%。流量计必须按照JJG 1029—2007《涡街流量计检定规程》进行出厂检定。

涡街流量计不适用于低雷诺数（通常Re_D≤2×lO⁴)的流量测量,在高黏度、低流速、大口径时应受到限制；口径越大频率分辨率越低，所以仪表口径一般不大于300mm。