涡街流量是依据流体振动频率与流速对应关系的原理工作的。自20世纪60年代末开始研制至今，己开发出众多类型阻流体及检测法的涡街流量计，并在管道流量测量中得到广泛应用，跻身通用流量计之列。涡街流量计之所以会受到如此青睐，与它所具有的特点密不可分。首先它输出的是与流量成正比的频率信号，并且频率信号不受流体组分密度压力温度的影响；量程范围较宽；精确收稿日期20050908基金项目教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助20030335058度为中上水平；无可动部件，可靠性高；结构简单牢固，安装维护方便，维护费较低；应用范围广泛，可适用液体气体和蒸气。但是应该看到，涡街流量计尚属发展中的流量计，无论其理论基础还是实践经验尚较差。方面，至今其流量方程经常引用卡门涡街理论，而此理论及其些定量关系是卡门在气体风洞均匀流场中实验得出的，它与封闭管道中具有维不均匀流场的旋涡分离的规律是不样的。

　　另方面，实践经验更是需要通过长期应用才能积累。因此，涡街流量计的基础研宄工作必须跟上，否则在实用中会出现些预料不到的问。

　　近年来，国内外科研工作者针对涡街流量计在应用中出现的问，运用计算机数值仿真技术微电子技术及先进制造技术，在涡街流量计应用领域展开了大量研究，并取得了定成果。

　　1涡街流量计测量原理涡街流量计的测量原理1.在流体管道中插入定形状的旋涡发生体阻流体，当流体绕过发生体后，在发生体两侧会交替产生规则的旋涡，这种旋涡称为卡门涡街。经过推导，流体的体积流量2与漩涡频率符合下面公式内尤为常数，流量2与漩涡频率成线性关系。因此，只要测出，就能求得体积流量2.

　　2涡街流量计文献综述涡街流量计自上世纪70年代投放市场以来，深受广大用户欢迎，目前己广泛应用于石油化工冶金机械轻纺制药等工业领域中，作为管道中液体气体蒸汽的计量和工业过程控制中不可缺少的流量测量仪。涡街流量计适用的管道口径般在30，以下，测量的精确度对于液体大致在士0.5，士对于气体在±士2，重复性低雷诺数8如2，104流体，般液体平均流速目前，日本横河，13，3电机株式会社生产公司等生产的涡街流量计也占据了定的市场份额。不同公司生产的产品具有不同的特点，特别是在涡街发生体的形状设计上，各有千秋，有梯形长方形3形，还有多发生体等，对涡街信号的检测也有不同方法，采用的元件有压电元件热敏元件超声波电容元件等，在涡街信号处理上为提高测量精度，也有各自独有的些专利技术。

　　涡街流量计属于发展中流量计，无论在理论研究还是实际应用中，都有些尚未解决的问，近年来，引起了国内外广泛的关注，特别在以下几方面进行了大量研究。

　　对旋涡分离规律的研究涡街流量计的测量原理是基于钝体绕流现象，既当流体绕流非流线形物体又称钝体时，在定流动工况下会发生钝体后部的旋涡脱落现象，旋涡脱落的频率与流体流动速度之间存在定关系，利用这关系，通过对旋涡频率的检测实现流量的测量。对钝体绕流问的研究至今己有百多年的历史。1912年卡门，1爪说系统地研究了祸街的形成和稳定性等问，使钝体绕流研究上升到个新的高度。国际上对流体绕流物体诱发振动的大规模研究工作是在20世纪50年代开始的，至今已发了大量研宄论文，得到了系列研宄成果。

　　但是，钝体绕流现象是种复杂的流动现象，涉及到流动的分离旋涡的生成和脱落旋涡的相互干扰等问，受到诸如流体流动工况紊流度柱体形式和光洁度等许多因素的影响，虽然经过长期的研究，有了定的进展，但其中许多基本的理论问还是没有得到令人满意的结果，并存在着不同的观点和研究方法，特别是在高雷诺数条件下的绕流问尚待进步研究。所以，对流体绕流时旋涡脱落特性的研究，对于深化和发展流体力学中的旋涡流动理论具有重要的学术意义781.

　　在旋满脱洛模式上，60在文献中对尾流中的涡街形成机制给出了种物理描述，提出剪切层相互作用模式，即涡街形成的决定性因素是物体后的个分离剪切层的相互作用。根据这理论，8以1办分别在1996年1和2003年121设计出多种形状的双发生体涡街流量计，来提高测量性能，并等也对流特性进行了深研提出尾迹开放模街形成即。论山讯在他的综述忡文中，也对各种不同涡街模式进行了论述，提出涡街形成机制并不是统的和唯的，会存在变异，特别是当雷诺数不同时，变化会更大。这些研究结果大部分是通过实验观测辩到的。在蔌。论上还有待于作进步分析和论证旋涡脱落后的流场特性与钝体形状和雷诺数密切相关。近年来随着计算机技术的进步，数值仿真理论的发展，对流场特性的研究从维拓展到维，从低雷诺数拓展到高雷诺数，建立更接近于实际的数学模型。来分析流体绕流后的流动特性钝体的外形千变万化。比较宵典甩意义的是圆柱方柱和梯形柱，其他形状可以由此演变而得。，在数范围内进行了研究，分析了80以81数和压力系数与雷诺数的关系，发现了些原来在维研宄中没有考虑到的新的现象。随着雷诺数的增加，尾流从层流涡街向湍流涡街转变，并观察到涡街的维特性，如流体绕过圆柱钝体后出现的涡的位错，涡街在文魄15中，通过可视化次泣技术观察和分析了梯形钝体后的涡街动态特性，用激光多普勒测速仪测量了尾流中流体，度，得到由涡街引起的速度周期性波动的说大幅位及出现的位迓雷诺数冷系。

　　发现在钝体后不同位置，速度的波动幅值是不同的，随着涡向下游运动，速役幅位先增加。某位置达到最大值后，再逐渐衰减。速度最大幅值和出现位置与雷诺数满足定关系。加在文献16中，用分步样条算法对上述实验进行数值仿真，得到了相似的结果，证实了该算法的有效性。文献中用此算法对不同的梯形形状进行数值计算得出梯形形状参数中高度是影响1如。1数的小要因素。

　　对涡街流场的数值仿真计算也从维的过渡到维的，湍流方程的求解也有多种方法如雷诺平均，大涡模拟，涡方法等。文献1622中，采用了各种数值算法对不同形状钝体不同雷诺数进行仿真计戴在低雷诺数条件下，结果较好，大都能有效的仿真和预测涡街的形成和发展过程加吐数的计算精度也较高。在高雷诺数情况下，涡街的形成机制较复杂，还有待尸进1步深研究3.数值仿真度，又能降低计算机内存和计算时间要求的新算法。

　　旋涡发生体是涡街流量计的关键部件，仪的流量特性仪系数线性度范围度等和阻力特性都与它的儿何形状儿何参数和排列方式密切相关但旋涡发生体几何参数至今还没有比较成熟的计算方法，大多通过实验确定2，目前用的比较多的是圆柱角柱矩形柱梯形柱和丁形柱等5种。为了得到较好的仪性能，国内外科研工作者通过实验和数值仿真计戴在改善旋涡发生体形状和多旋祸发生体方而进行了些存益的探索。

　　状。特别是形的延伸段长度和迎流他宽度之比值1进行了研究，不同的得到的涡街信号不同。经过系列实验以到13的位在1.56 2.0时，涡街信号强，信噪比高，并且仪线性度最好心3在文献2526中。对各种带有延伸段的发生体作了更详细的研充发生体的前段形状有圆形半圆形半圆形与矩形组合矩形和角形等。宽度为3.，改变发生体他延伸段长度发现对数影响最大的因素是1而不是发生体形状，数随着尤乃增加而减小，这是因为发生体延伸段长度会改变尾流涡街形成区域的流场结构。这将给涡街流景计中旋涡发生体形状和参数设计瓜来帮助，心1；文献2730中，针对超声润街频率检测方法，对不同形状的发生体如角柱梯形柱倒角柱角形的尖角作为迎流面及带有螺纹的圆棒等，进行了分析，根据得到信号的时域及频域波形，认为带有螺纹的3，1圆棒在100，1管道具有从好的特件。牛且压力损火最小。

　　除了在单发生体形状参数方面的研究以外，在双发生体及多发生体方面也有很多新的研究报道。Olsen又寸直径方向带有定宽度槽的圆柱发生体进行研宄13，单圆柱发生体变为双半圆的双发生体，这时形成的涡街强度和稳定性优于单圆柱发生体。如哪1！将这种双半圆发生体应用于涡街流量汁32，认为其线性没。，敏役和吒损均比传统的梯形发生体要好，3；1代文献172，分祈单双发生体的涡街形成机制，重点研宄了双发生体不同形状不同位置的设置对测量的影响。出扣1等在文献70中对双发生体的祸街流量计逊行了数值仿丑汁算国内的龚振起彭杰纲等也先后研究并研制了双发生体涡街流量计3337，生成的祸街具有较强的旋涡强度和较好的稳定性，压力损失小，并且能降低涡街流量计测量下限。

　　这些研宄主要还建立在实验基础上，迄今为止，1凝厉厉呢藤血潘通儒，坐，烂佳，魅，验上还；要进步研允。能给出旋涡发生体形状和参数迎用的设计准则；对涡街信号检测方法的研究流体通过旋涡发生体后，伴随旋涡的形成和分离，在旋涡发生体周围流体会同步发生流速压力变化和游士流周期振荡。依据这巧现象1以迸行旋祸分离频率的检测。目前常用的检测方法按传感器来分主要有热敏元件，压电元件，电容元件，应变元件等，1以压屯元件应最为广泛。付涡街信号检测方法的研，现在对己有检测方法的改进和新传感技术在涡街频率检测方面的应用。针对压电传感器在工业现场使用时存在的抗振性差的问，河等人通过实验证明了在压电物质外层包以橡胶，再在外面敷设层硅膜能有效减低压电晶体对外界振动的灵敏度138.日本横河电机有限公司研究了旋涡升力和管道振动引起的应力分布的不同，发现用两片反向安装的压电元件作检测元件，感受到由旋涡升力引起的电荷量两倍于单个压电元件，而由外界引起的干扰噪声能部分得到抵消151.

　　近来电子技术的发展为偶街04的检测提供了午多新的手段。等，文断2730中，又寸超士检测涡街频率进行系列的分析。在旋涡发生体1游付称安装超声波发肘换能器及接收换能器，超声波在流体中传播时，受到旋涡信号的调制，经信号处理后能得到涡街频率信号。这种方法具非接触测量迎流面尺寸比般的涡街流量计小，能有效的减小压损。但只适用于温度变化较小的气体和含气量很小的液体流量的测量2.王波周晓军等提出用光纤传感器检测涡街频率94利叫光纤内光强度的变化来进行测请。这种方法能抗电磁干扰，抗环境噪声，具有电器绝缘性，但测量系统较复杂，还在设计模型阶段。莫德举等在文献41中提出在旋涡发生体下游安装永久磁铁和信号电极，根据屯磁感应记律，用电磁法检测涡街频率。如1等在文献42中将电感传感器用于涡街频率的检测，得到了较好的效果。希望在不久的将来，这些新型传感器得到不断实践和完善，在生产现场能得到广泛的应用。

　　对涡街仿号分析及处理的研允润街流量计在本质上是流体振动型流量计，因此在工业现场使用时，管道及各种设备振动引起的干扰会降低测量精度。近年来，国内外针对这问特点建立仿真信号达式，以监测系统运行43.徐科军等也采用多种谱分析方法处可涡街信号4446.81吐蒙建波和徐科军等提出基于自适应建模的自适应陷波方法，陷波器抑制个特定的频率，此频率即为涡街频率，并且该频率几乎不受览以外频率的影响4751.。将衫传感器融合技术应用于涡街频率测量52，在旋涡发生体下游安装两路超声波传感器，涡街频率通过两种方法到足直接通过路超声信号巧士是对两路超声信作相冷处理，得到旋涡先1通过两测量点测量原理按定算法融合在起后得到的，比常用献53中，以微处理器为核心，采用频谱信号处理技术，利用信号频谱分析的结果，调整带通滤波器参数，以除去噪声，提高测量精度。徐科军。张涛等还提出用小波变换的带通滤波特性对涡街传感器信号进行滤波，去除噪声，以便准确提取涡街频率信息5455.对涡街信号的分析和处理大多是建立在次仪基础上，真正投入实际应用还需要深入分析流体振动源特性，建立种通用信号模板，解决干扰情况下涡街信号和噪卢信号的分离，以准确得到涡街频率1除了上述研究热点处，国内外在涡街流量计智能化研宄方面也取得了定成果57将涡街流量计用于多相流测量的研究也有报道6965，限于篇幅，此不羊述。

　　3研究的难点和趋势涡街流量计的理论基础还很薄弱对旋涡脱落的研究大多是在气体风洞即均匀流场中进行的，而涡街流量计应用于封闭管道，流场具有维不均匀性，其旋涡分离规律与均匀流场中的旋渴分离不完全相同，几。肘；3，在文献5中，对涡街流防十的测遣不确记度进了分析，证丈断特罗哈尔数31和雷诺数在很大范围内是非线性关系，与管道内流场的维不均匀性有关，这对涡街流量计的测量精度产生很大影响。因此需要流体力学工作从流量应用角度对旋涡脱落的流体振动规律进行深入研宄，为涡街流量计设计提供理论依据。

　　涡街流量计应用范围的扩展润街流量计的应用由于雷诺数的限制，在高粘度低流速和小口径情况下难以正确测量，量程受限。这需要在旋涡发生体形状，传感器结构方面作分析酿信号高测量精度，碰据原始信号优化设计，以适应不同的测量要求。目前由盍街频率测量元件的限制，涡街流量计可正常测量的温差压的平均值瓦即为压力损失，可为度压力和管道口径有定要求。如测量的温度范围为200.400，最高可承受压力为15肘，山可测量管径的范围为12.5，3006随着新的频率检测技术和新的传感技术的不断涌现，为涡街流量计的工作范围的扩展提供了可能。

　　涡街流量计应用于质量流量的测量涡街流量计现在大多用于体积流量的测量。随着能源计量和管理的加强，工业过程自控系统的发展，对流量测量的要求不仅仅停留在体积流量的测量上，很多场合如工业生产中各种原料的配比或品质的控制物料输送能源输送贸易结算等往往都需要知道质量流量。质量流量测量是目前流量测量中的重点也是难点问，从传统的体积流量计，经过改进完善与提高，发展成质量流量计，是质量流量测量技术发展的个重要方面，也是当前研究的个热点问。国内外科研工作者都已提出将涡街流量计用于测量质量流量的方法676但在传感器结构，测量精度等方面还需要进步完善。

　　行深入研宄，提出利用单差压传感器测量质量流量的新方法7其测量原理2.

　　在涡街发生体的上下游管壁各设置取压口。

　　上游的取压口用于检测流体在通过涡街发生体前的静压，这时的压力是稳定值；下游取压口测量得到产生旋涡后引起的压力波动，3.上下游卸女，口流体密度t流体平均流速差压波动的频率f为涡街频率，与流速U成正比，两者之间关系如式2，旋涡发生体两侧平均流速旋涡发生体迎流面宽度t被测介质来流的平均速度所旋涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比因为31和。在定的雷诺数范围内是常数，18是涡街发生体尺寸参数，也是常数，所以正比于PU.质量流量n可为可得是个与旋涡发生体形状尺寸上下游取压孔位置等有关的物理量，要正确测量质量流量，尤1必须在定雷诺数范围内保持常数。尤值可以通过实验测量定标得到。

　　因此，只要测量得到涡街发生体上下的差压信号，从中得到流体流经发生体的压力降1和涡街频率值；经计算就可以直接得到流体的质量流量。

　　这方法巧妙利用涡街发生体具有的流量特性和阻力特性，利用差压检测技术，通过单路差压传感器同时感受由涡街发生体引起的流体双重变化特性，测量流体的质量流量，同时该方法还具有较好的抗干扰性。这方法目前还处于实验室研究阶段，还需要进步完善以产品化。

　　由于涡街流量计既可用于液体，也可用于气体流量的测量66相比其他直接质量流量计如科氏质分量流量魏和式质量流量访具有不可替代的优势，汹街流量计若能住质+流量测+与面能料到广泛应t20用，具有重要意义。