氣體流量計的測量原理與結構

1、氣體流量（liàng）計工作（zuò）原理（lǐ）

渦街流量（liàng）計實（shí）現流量測量的理論基礎是（shì）流（liú）體力學中**的“卡門（mén）渦街”原理。在流動的（de）流體中垂直插入一（yī）個稱（chēng）作旋渦發生體的（de）對稱形狀的物體（如圓柱體、三角（jiǎo）柱體），如圖1所示。當流體沿旋渦發生體擾流時，會在旋渦發（fā）生體下遊產生不對稱、但有規律的交替旋渦列（liè），這就是所謂的卡門渦街。

由於旋渦之間的相（xiàng）互影響，其形成通常是不穩定的。馮·卡門對渦街的穩定條件進行了研究，於1911年得到結論：隻有當兩旋渦列之間的距離h和同列的兩漩（xuán）渦之間（jiān）的距離L之比滿（mǎn）足h/L=0.281時，所產生的渦街才是穩定的。

漩渦列在漩渦（wō）發生體下遊非對稱地排列。設漩渦的（de）發生頻率為f，被測（cè）介質（zhì）的平均速度為U，漩渦發生體（tǐ）迎麵寬度為d，表體通徑為D，則根據卡門渦街原理，圓柱體後漩（xuán）渦發生的頻（pín）率可用下式表達：

式中：v---漩渦發生體兩側（cè）平均（jun1）流速，m/s；

      St---斯特勞哈爾數

      m---漩渦（wō）發（fā）生體兩側弓（gōng）形麵積與管道橫截麵（miàn）麵積之比，其值（zhí）為

管道內（nèi）體積流量Qv為

令（lìng）可得Qv=Kf

式中：K---流量計的儀表係統；

      f---脈衝數。

     K除與漩渦發生體、管道的幾何尺寸有關外，還與斯特勞（láo）哈爾數有關。從實驗可（kě）知，正常測量（liàng）範圍的雷諾數為2×10?~7×10?，流體（tǐ）速（sù）度v與（yǔ）漩渦脫落頻率的關係是確定的（de）。也就是說，對於圓柱形漩渦發生（shēng）體，在這個範圍內它（tā）的St是常數，並約等於0.2，與理論計算值（zhí）吻合的很好。對於圓柱形式的（de）漩渦（wō）發生體，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（dìng）雷諾數範圍內成線性（xìng）關係。渦街流量計正是利用上述原理製成的（de），因此，也將（jiāng）這種流量計稱為線（xiàn）性流量計（jì）。

 

2、氣體流量計結構

氣體流量計是（shì）利用流體通過阻礙物時產生穩定的漩渦，通過（guò）測量其漩渦產生頻率而（ér）實現流量計量的。渦街流量計由渦街流量傳感器（qì）和流量顯示儀表兩部分構成。由於各個生產廠家的產品結構的差異主要是在流量顯示（shì）儀表方麵，因而（ér）這裏主要介紹渦街流量傳感器。

在應用卡門原理推（tuī）導頻率（lǜ）與流速關係式時，使用了渦街的穩定條件：間隔比h/L=0.281，這說明漩渦產生的頻（pín）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（wō）發生體的形狀有（yǒu）關。

另外（wài），在前麵的討論中，我們還應該注意到：

1、在上述推導（dǎo）過程中，均（jun1）是在一維流動的條件下的，然而（ér）在圓管中的流動，是具有軸對稱分布的三維流動。

2、在（zài）上遊有管道存在的（de）條件下，會有附加的流速分布畸變（biàn）、旋流、波動等不穩（wěn）定因素。

上述兩點都會對漩渦（wō）的穩定性與規律（lǜ）性產生重要的影響。所以，在（zài）渦街現象發現以（yǐ）後的很長時間內，一直未能用（yòng）來進行測量（liàng）流量，除了信號檢測技術以外，上述兩點也是重要的原因。為了克服上述因素帶來的影響，必須對漩渦發生體形狀有一定要求，使管內的漩渦發生體處的流動盡量接近二維流（liú）動，以控製三維流動中（zhōng）漩渦發生體發出的漩渦相位，使渦線彎曲變得*小。

由此可見，漩渦發生體形狀對漩渦的發（fā）生（shēng）有決（jué）定性的影響（xiǎng）。

1、漩渦發生體形狀的基本要求（qiú）

漩渦發生體的形狀有很多種，但（dàn）它們必須具有一些相同的基本要求：

a、有鈍的（即非流線型的）截麵形狀---這是產生漩渦的條件；

b、上、下截（jié）麵形狀相同，並且左右對稱---流動接近二維流動的條件；

c、邊界（jiè）層分離點事固定的（de）---斯特勞（láo）哈（hā）爾數St恒定。

同時（shí），漩渦發生體在管道中（zhōng）的安裝位置必（bì）須嚴格對稱。漩渦發生體上（shàng）遊必須（xū）有直徑為10D（D為管道內徑）以（yǐ）上的（de）直管，下遊必須（xū）有直徑為5D以上的直管。

2、漩（xuán）渦發（fā）生體的基（jī）本（běn）結構（gòu）

漩（xuán）渦發生體形狀有圓柱、三角柱、T型柱、四角柱等，以下主要（yào）介紹圓（yuán）柱與三角柱這兩種形式。

a、圓柱形漩渦發生體。前（qián）麵關（guān）於漩渦理論部分的內容就是以圓柱為例進行（háng）討論的（de）。雖然這種（zhǒng）形式使用較早，但嚴格地說（shuō），在（zài）高（gāo）流速下它的斯特勞哈爾（ěr）數St並（bìng）不穩定。因此，人們就將其改進成開狹縫或開導壓孔形式。

開導壓孔（kǒng）的圓柱漩渦（wō）發生器（qì）如圖6所示。由（yóu）於有導壓孔存在，在而當漩渦發出的同時產（chǎn）生的交替升力將使流體（tǐ）通過（guò）導壓孔流動，產生一邊（biān）吸入（rù），一邊吹出的效果。當流體附麵層在圓柱表麵開始分離時，在（zài）吸入一側（cè），分離被抑製；在吹出一側，分離被促進發生。這樣就（jiù）可使流體分離點的位置固定下（xià）來，也就可以使斯特勞哈爾（ěr）數St相對穩定。

b、三角柱形漩渦發生（shēng）體。目前（qián）采用較多的（de）漩渦發生（shēng）體是三角柱形的，其形狀一（yī）般由實驗確定。它不僅可以得（dé）到比圓柱更強烈（liè）的（de）漩渦，而（ér）且它的邊界層分離點是固定的，即其斯特勞哈爾數St相對（duì）恒定，大約為St=0.16。這樣，渦頻（pín）與流速的關係為f=0.16u/d，其中d為三角柱的底（dǐ）邊寬度。三角柱漩渦發生體（tǐ）的形狀如圖7所示。

c、檢測（cè）頻率的方法

圓（yuán）柱體表麵開有導壓（yā）孔，與圓柱體內部空（kōng）腔想通。空（kōng）腔由隔板分（fèn）成兩部分，在隔板的中央部分有一小孔，在小孔（kǒng）中裝有檢測流（liú）體流動的鉑電阻絲。

當漩（xuán）渦（wō）在圓柱體下遊側產生時，由於（yú）升力的作用，使（shǐ）得圓柱體下方的（de）壓力比上方高一些（xiē），圓柱體下方的流體在上下壓力差的作（zuò）用下，從圓柱體下方導壓孔進入空腔，通過隔板中央部分的小孔，流過鉑（bó）電阻絲，從上方導壓孔流出。如果將鉑電（diàn）阻絲加熱（rè）到高於流體溫度的某溫（wēn）度值，則當（dāng）流體流過鉑電阻絲時，就會帶走熱量，改變其溫度，也即（jí）改變其電阻值。當圓柱體上方產生（shēng）一個漩渦時，則流體從上導壓孔進入，由下導壓孔流出，又一次（cì）通過鉑電阻絲，並改變一次它的電阻值。由此（cǐ）可（kě）知：電阻值變化與流動變化相對應，也（yě）即與漩（xuán）渦的頻率相對應。所以，可由（yóu）檢測鉑電阻絲電阻變化頻率得到渦頻率，進而得到（dào）流量值。當然，檢測頻率的（de）元件（jiàn）不（bú）僅是鉑電阻絲，還（hái）包括其他元件，具體（tǐ）檢測元件與方法如表8所示（shì）。