渦街流量計是一種基于流體動力學(xué)原理工作的流量測量儀表，廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域中液體、氣體和蒸汽的流量測量。其核心測量機制巧妙地將流體的流動轉(zhuǎn)化為可測量的電信號，整個過程涉及流體振動、漩渦形成和信號處理等多個環(huán)節(jié)。下面我們來深入探秘渦街流量計從流體振動到信號輸出的完整機制。
一、基本原理：卡門渦街（Kármán Vortex Street）
渦街流量計的核心物理基礎(chǔ)是卡門渦街現(xiàn)象。當(dāng)流體流經(jīng)一個非流線型的障礙物（稱為“旋渦發(fā)生體”或“ bluff body”）時，在特定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，流體在障礙物下游兩側(cè)會周期性地交替分離出旋轉(zhuǎn)方向相反的旋渦，形成兩列平行但交錯排列的旋渦，稱為“渦街”。
二、從流體振動到物理信號：檢測方式
旋渦的周期性產(chǎn)生會引起流場中的壓力波動和流體振動。渦街流量計通過傳感器檢測這些變化，將其轉(zhuǎn)化為電信號。常見的檢測方法有：
1. 壓電傳感器檢測法
在旋渦發(fā)生體內(nèi)部或尾部安裝壓電晶體。旋渦交替產(chǎn)生時，引起局部壓力周期性變化，壓電晶體受力變形并產(chǎn)生電荷信號（壓電效應(yīng)），從而輸出與旋渦頻率對應(yīng)的交變電壓信號。
2. 電容式或應(yīng)變片檢測法
通過測量旋渦發(fā)生體因流體作用而產(chǎn)生的微小振動或應(yīng)變。例如，將應(yīng)變片貼附在發(fā)生體根部，其電阻隨振動變化，構(gòu)成電橋輸出電信號。
三、信號處理與輸出
傳感器輸出的原始信號通常較微弱，且可能混有噪聲（如管道振動、流體湍流等）。因此，需要經(jīng)過以下信號處理步驟：
1. 放大與濾波
使用前置放大器增強信號，并通過帶通濾波器濾除低頻機械振動和高頻電磁干擾。
2. 波形整形
將模擬正弦波信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的方波或脈沖信號，便于后續(xù)數(shù)字處理。
3. 頻率測量與流量計算
微處理器對脈沖頻率進行計數(shù)，結(jié)合標(biāo)定的儀表系數(shù)（K-factor）和管道參數(shù)，計算出瞬時流量和累積流量。
4. 信號輸出*
流量數(shù)據(jù)可通過多種方式輸出：
- 脈沖信號（用于總量計量）
- 4–20 mA 模擬信號（用于遠傳顯示）
- 數(shù)字通信（如HART、Modbus、Profibus等）
四、優(yōu)點與局限性
優(yōu)點：
無活動部件，結(jié)構(gòu)簡單，維護成本低
測量精度較高，量程比寬（可達1:20以上）
對流體物性變化不敏感，適用于多種介質(zhì)
壓力損失較小
局限性：
對直管段要求較高，以保證流場穩(wěn)定
不適用于低流速或高粘度流體（雷諾數(shù)過低時渦街不穩(wěn)定）
易受管道振動干擾，需良好安裝與信號處理
五、結(jié)語
渦街流量計巧妙地將流體的宏觀流動轉(zhuǎn)化為周期性振動，再通過物理傳感器和電子系統(tǒng)將其“翻譯”為可讀的流量信號。它不僅是流體力學(xué)原理的工程應(yīng)用典范，也體現(xiàn)了現(xiàn)代傳感技術(shù)與信號處理的深度融合。隨著智能儀表和數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，渦街流量計的抗干擾能力和測量精度將持續(xù)提升，繼續(xù)在工業(yè)自動化中發(fā)揮重要作用。
