渦街流量計

常見的旋渦脫離現象

風吹過旗桿時也能觀察到旋渦脫離現象；正因為這樣才會觀察到旗幟的漣漪飄動。旋渦同樣會從橋墩、樁材、海上鉆油平臺支柱和高層建筑周圍脫離。設計這些建筑結構時，必須將渦旋脫離現象所引起的力考慮在內。

旋渦脫離的歷史

美籍匈牙利物理學家希歐多爾?馮?卡門首先對這一效應進行了描述，即將非流線型物體（又稱阻流體）放入快速流動的水流時，下游水流會在該物體兩側交替分開，當邊界層分離然后回卷時，便會形成旋渦（也稱為渦或渦旋）。他還注意到，旋渦之間一直保持固定的距離，該距離僅取決于產生旋渦的巖石大小。

在阻流體產生旋渦的一側，流速較高但壓力較低。隨著旋渦向下游移動，其強度和尺寸都會變大，最終分離或脫開。然后阻流體的另一側形成新的旋渦。交替出現的旋渦之間的距離相等。

渦街流量計的設計

渦街流量計一般由316不銹鋼或哈氏合金?制成，包含一個阻流體、一個渦街傳感器組件和變送器電路，其中變送器電路可遠程安裝。其適用的標準法蘭尺寸為1/2英寸至12英寸。渦街流量計的安裝成本與小于六英寸的孔板流量計成本相當。夾持式流量計（無法蘭）的成本最低，如果過程流體是有害或高溫流體，則優先采用帶法蘭的流量計。

阻流體的形狀（方形、矩形、T 形、錐形）和尺寸經過實驗，能夠實現所需的功能特性。測試表明，線性度、低雷諾數限制和對流速分布畸變的敏感度僅隨阻流體的形狀輕微變化。尺寸上，阻流體的寬度必須可與管道直徑比擬，才能使全部流體參與到旋渦的脫離。第二，阻流體朝向上游的表面必須呈現凸緣，才能在任何流量下固定住流動分離線，與流體流速無關。第三，阻流體沿流動方向的長度必須是阻流體寬度的特定倍數。

大多數渦街流量計采用壓電式或電容式傳感器來檢測阻流體周圍的壓力振蕩。這些檢測器會響應壓力振蕩，輸出與振蕩同頻率的低電壓信號。這是一種模塊化的低價傳感器，容易更換，且能工作于大范圍的溫度——從低溫液體到過熱蒸汽。傳感器置于流量計的內部或外部均可。與流體接觸的傳感器能直接感受旋渦壓力波動所造成的應力，封閉于堅硬的外殼可抵御腐蝕和侵蝕。

外部傳感器通常采用壓電應變計，能通過旋渦發生桿的受力間接檢測旋渦脫離現象。在高腐蝕性/侵蝕性的應用中，優先選用外部傳感器以降低維護成本，而內部傳感器則具備更好的調幅范圍（低流量靈敏度更佳）。它們同樣對管道振動不敏感。電子器件外殼通常是防爆耐候，包含電子變送器模塊、接線端子和可選的流量指示器和/或累加器。

選擇渦街流量計前需要考慮的關鍵因素

1.所要測量的流體是什么？
2.最大和最小壓力
3.流量范圍
4.流體溫度
5.流體密度范圍
6.粘度范圍
7.管徑
8.可接受的最高壓降
9.管號或壁厚
10.管材
11.最近上游阻礙

渦街流量計的類型

智能渦街流量計http://www.0731hp.com.cn/section/vortex-shedding-flowmeters-pitot-tube.html提供數字輸出信號，除了流量以外還包含更多信息。流量計中的微處理器能夠對直管流動不充分、內徑與配對管內徑差值、阻流體熱膨脹以及當雷諾數低于10,000時的K系數變化等情況自動進行修正。

智能變送器還具備診斷子程序，傳遞組件故障或其它故障信息。智能變送器可執行測試程序以確認流量計或應用過程中的問題。這些按需執行的測試還有助于 ISO 9000 認證。

一些渦街流量計能夠檢測質量流量。這種設計可同時測量旋渦頻率和旋渦脈沖強度。根據讀數可確定過程流體的密度，計算獲得質量流量誤差在量程的2%以內。

另一種設計配備多個傳感器，不僅用于檢測旋渦頻率，還能檢測過程流體的溫度和壓力。根據這些數據，可以得出密度和質量流量。該流量計在測量液體質量流量時的準確度為流量的1.25%，測量氣體或蒸汽的準確度為流量的2%。如果出于其它原因而特別重視過程壓力與溫度，采用該流量計要比安裝單獨變送器更為方便，成本也更低。

應用與限制

渦街流量計通常不建議用于定量或者其它間歇流動應用。這是因為定量控制的涓流流量設定低于流量計的雷諾數下限。定量越小，結果誤差可能會越大。

低壓（低密度）氣體無法產生足夠強的壓力脈沖，尤其是流速較低時。因此，這種工況下的流量計其調幅范圍會變得很小，以致于無法測量小流量。另一方面，如果可接受采用減小的調幅范圍，而且尺寸上針對正常流量選擇得當，那么渦街流量計仍然值得考慮。

但如果過程流體容易覆蓋或沉積在阻流體上，比如污泥或泥漿工況，最終會導致流量計的K系數發生變化。不建議在這些應用場合中采用渦街流量計。然而，如果骯臟流體中僅含不多且不易沉積覆蓋的顆粒，則可接受使用渦街流量計。這一點已從一個為期2年的石灰石泥漿測試中得以驗證。在測試的結束階段，盡管阻流體和流量管已經布滿劃痕和凹坑，但K系數僅與出廠校準值偏差了0.3%。

當測量多相流體（氣體或液體中存在固態顆粒；液體中含有氣泡；氣體中含有液滴）時，渦街流量計的準確度會降低，因為流量計無法辨別這些相態。濕潤、低品質的蒸汽便是一個例子：液相物質應均勻分布于蒸汽中，并應避免采用豎直管道以防塞流。對于水平管道，液相物質往往會在管道底部流動，因此應保持管道內面底部的暢通?？梢酝ㄟ^安裝水平放置的阻流體來實現這一點。在這種工況中的測量不準確度約為實際流量的5%，但重復性仍良好。

渦街流量計的永久性壓力損失約為孔板的一半，大致為2個速度頭。（速度頭定義為V2/g，其中V是流速，g是具有一致單位的引力常量。）如果管道和流量計的尺寸配置得當且尺寸相同，壓降很可能僅有幾個psi。然而，為了增大雷諾數而縮小尺寸（安裝小于管道尺寸的流量計）會使水頭損失增大至 10 psi以上。另外還需要確?？s流斷面壓力不得低于過程流體的蒸氣壓，因為這將導致空蝕。一般來說，如果流量計的背壓低于蒸氣壓，過程流體會發生閃蒸，導致流量計測出無意義的讀數。

渦街流量計的主要優點是對過程條件變化的敏感度低，以及比孔板或渦輪流量計更耐磨損。另外，初始成本和維護成本也很低。為此，它們的應用更為廣泛。

安裝建議

在流量范圍未知的已有過程中安裝渦街流量計時，建議先進行大致的測量（利用便攜式的皮托管或鉗式超聲波裝置）。否則，無法保證與管道尺寸相同的渦街流量計能夠正常工作。

渦街流量計要求流速穩定且對稱分布，不得存在畸變或旋渦。這必須利用上下游的直管道對流體進行調節。直管的尺寸必須與流量計相同，其長度應與孔口裝置的要求長度大致相近，β比為0.7。大多數渦街流量計制造商建議在控制閥下游鋪設長度至少為30倍管徑的直管段，且流量計與下游測壓孔之間的距離為3至4倍管徑。溫度元件的尺寸要小，置于下游5至6倍管徑的位置。

對于尺寸過大的過程管道，約半數渦街流量計要求通過同心收縮管和同心擴張管的形式形成頸縮。即便安裝整流器，仍要求設置一定長度的直（松弛）管段。

渦街流量計既可豎直安裝，也可水平安裝，甚至能夠傾斜任意角度，只需確保流體淹沒流量計即可。安裝于豎直向上流動的管道中可保持流量計被流體淹沒。當流量計安裝在向下或水平流動的管道時，下游管道應提升至高位。當管道內沒有流體流過時，可采用止回閥保持管道內充滿流體。在某些設計中，如果更換傳感器之前需要關停流動并中斷過程，則需要采用切斷閥和旁路閥。

配對法蘭（用于40號或80號配合管道）必須具有與流量計一樣相同的直徑和光滑的內腔。優先采用對焊法蘭，而不應使用漸縮法蘭。配合管道內表面在流量計上游4倍直徑和下游2倍直徑距離內不應存在氧化皮、凹坑、孔洞、鉸痕和凸起。必須小心地使流量計的內孔與墊圈和鄰接管道對齊，以避免形成流動障礙或階梯。

支撐流量計兩側的管道，或者旋轉流量計的方位使傳感器移離振動面，均可避免過度的管道振動。由震顫的閥門、疏水器或泵所發出的過程噪音會導致讀數過高或在零流量情況下產生非零讀數。大多數流量計電路均考慮到增強噪聲濾波的設置，但削弱噪聲的同時也會降低流量計對小流量的靈敏度。其中一種辦法是重新將流量計置于噪聲較小的工位