渦街流量計(jì)的工作原理|渦街的產(chǎn)生與渦街現(xiàn)象
渦街流量計(jì)的工作原理：
渦街的產(chǎn)生與渦街現(xiàn)象：
渦街流量計(jì)實(shí)現(xiàn)流量測量的理論基礎(chǔ)是流體力學(xué)中的的“卡門渦街”原理。如圖 2－1，在流動(dòng)的流體中放置一根與流向垂直的非流線型阻流體（如三角柱，圓柱等），稱之為旋渦發(fā)生體，隨著流體沿旋渦發(fā)生體流動(dòng)的速度逐漸加快，雷諾數(shù) 逐漸增大，當(dāng) 達(dá)到 40 左右eReR【53】時(shí)，由于旋渦發(fā)生體后半部分附面層中的流體團(tuán)受到更大的阻滯，就會(huì)在旋渦發(fā)生體下游產(chǎn)生兩列旋轉(zhuǎn)方向相反、平行參差排列的渦列，這就是所謂的“卡門渦街”。
圖 2－1 卡門渦街
其中雷諾數(shù)eR 的定義為：
式中 γ ——工作狀態(tài)下流體的運(yùn)動(dòng)粘度， m2 / s； v ——被測介質(zhì)來流的平均流速， m/ s； d ——旋渦發(fā)生體的特征尺寸， m。 值得注意的是，由于旋渦之間的相互影響，其形成通常是不穩(wěn)定的。卡門對渦列的穩(wěn)定性條件進(jìn)行了研究，于 1911 年得到結(jié)論：只有形成相互交替的內(nèi)旋的兩排旋渦，且當(dāng)兩旋渦列之間的距離 和同列的兩旋渦之間距離l 之比滿足時(shí)，所產(chǎn)生的渦街才是穩(wěn)定的hh/ l ≈0.281【54】。
渦街的測量：
大量實(shí)驗(yàn)證明：在二維流動(dòng)狀態(tài)下（來流單相、定常；阻流體具有規(guī)則截面，且可視為無限長），當(dāng)滿足渦街穩(wěn)定的條件時(shí)，渦街的單側(cè)旋渦脫落頻率（簡稱渦街頻率） f與阻流體兩側(cè)的平均流速 之間具有以下關(guān)系：
K ——渦街流量計(jì)的儀表系數(shù)，頻率值 。 3/ m由式（2－5）可看出，對于給定的渦街流量傳感器，其管道直徑 、旋渦發(fā)生體特征尺寸 、 及斯特羅哈數(shù) 是可知的，因此此儀表系數(shù) 也是確定的，只要準(zhǔn)確測得旋渦的分離頻率 ，就可以得知被測流體的速度Dd mtS Kf v ，從而到達(dá)測量管道內(nèi)流量的目的。
得注意的是，式（2－4）（2－5）成立的前提條件是要保證流體的雷諾數(shù)在使斯特羅哈數(shù)恒定的范圍內(nèi)。由粘性流體力學(xué)對渦街現(xiàn)象的研究可知，對于典型的圓柱型的發(fā)生體，雷諾數(shù)在 3×102～2×105的范圍內(nèi)斯特羅哈數(shù)恒定，其他類型發(fā)生體（如梯形柱）大約也在這個(gè)量級。顯然，渦街流量計(jì)實(shí)際測量的量程下限遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于理論值，因此，擴(kuò)展渦街流量計(jì)量程的下限是一個(gè)重要的研究課題。
渦街流量信號的組成：
從渦街傳感器引出的電荷信號經(jīng)電荷放大器和濾波器的簡單處理后，形成了幅值在幾伏左右的電壓信號，這個(gè)電壓信號是雜亂的、不規(guī)則的，其中包括體現(xiàn)渦街頻率的信號成分即有用信號，也包括各種噪聲或者叫干擾信號。其中噪聲可分為三部分：電磁干擾、流場干擾和管道振動(dòng)干擾。那么渦街信號可以表示為：
式中 ts)(——體現(xiàn)渦街頻率的信號，稱為有用信號； )(1tn ——電磁干擾信號； )(2tn ——流場干擾信號； )(3tn ——管道振動(dòng)干擾信號。
我們***終目的就是要的從這個(gè)復(fù)雜的渦街信號里提取出有用信號，那么，我們必須先了解噪聲信號，才能有效的去除噪聲。下面從三點(diǎn)來介紹【5】【55】：
1. 電磁干擾信號：
由于在工業(yè)現(xiàn)場電力線及電力設(shè)備密集，大量的電磁干擾就會(huì)影響到渦街流量計(jì)信號處理電路，這種干擾主要分為三類：高頻電磁輻射干擾、交直流電源干擾和低頻電磁干擾。其中高頻電磁輻射干擾主要是通過空間電磁場作用到信號處理電路的；交直流電源干擾來自于電源間的相互影響；低頻電磁干擾是對渦街流量計(jì)的***主要的電磁干擾，低頻電磁干擾的來源非常復(fù)雜，它與渦街安裝位置、安裝方式、接地方式、接地位置、屏蔽情況及放大器的特性等有關(guān)，如：金屬屏蔽罩屏蔽空間電磁輻射的能力是有限的，不能抵御頻率 50Hz 以下的電磁場；壓電敏感元件的接地點(diǎn)（表殼）與處理電路的接地點(diǎn)如果存在跨步電流，就會(huì)在地線兩端產(chǎn)生 50Hz 的跨步電壓干擾；當(dāng)電源干擾存在，而處理電路的共模抑制比較低時(shí)，就會(huì)在電路中引入 50Hz 的電源共模干擾。這種低頻干擾在渦街頻帶之內(nèi)，所以消除低頻電磁干擾是渦街現(xiàn)場應(yīng)用的一個(gè)重要問題。
2. 流場干擾信號：
工業(yè)現(xiàn)場管道內(nèi)的干擾對旋渦發(fā)生體附近的流場分部有很大的影響。由于管道上下游存在著各種阻力件如閥門、彎頭、T 形管、擴(kuò)張管和收縮管等，這些器件對管道的影響有兩個(gè)方面：（1）影響管道內(nèi)的壓力分部，導(dǎo)致管道的壓力分布不均勻，從而導(dǎo)致管道內(nèi)流速分部不均勻；（2）會(huì)產(chǎn)生流體擾動(dòng)和雜亂的旋渦流。這種干擾會(huì)使渦街信號的信噪比降低，并且破壞管道內(nèi)流場的均勻性和對稱性。
3. 管道振動(dòng)干擾信號：
管道一般與風(fēng)機(jī)、水泵或壓縮機(jī)等裝置相連接，風(fēng)機(jī)、水泵和壓縮機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)、人為撞擊管道以及局部阻力件產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲有時(shí)十分強(qiáng)烈，會(huì)疊加到渦街信號中，對于有用信號的提取帶來了很大的困難。
理想的渦街信號經(jīng)電荷放大器和低通濾波器后應(yīng)該是一個(gè)規(guī)則的正弦波信號，但是，在工況下低流速的渦街信號則基本被噪聲淹沒，下圖 2－2 所示的即實(shí)際工況下采集的受擾的渦街信號波形圖，可見，從含有復(fù)雜噪聲的信號中提取有用信號還是具有相當(dāng)難度的。
圖 2－2 受擾的渦街信號圖