渦街流量計(jì)是一種基于流體動(dòng)力學(xué)原理工作的流量測(cè)量?jī)x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(cè)量。其核心測(cè)量機(jī)制巧妙地將流體的流動(dòng)轉(zhuǎn)化為可測(cè)量的電信號(hào)，整個(gè)過(guò)程涉及流體振動(dòng)、漩渦形成和信號(hào)處理等多個(gè)環(huán)節(jié)。下面我們來(lái)深入探秘渦街流量計(jì)從流體振動(dòng)到信號(hào)輸出的完整機(jī)制。
一、基本原理：卡門渦街（Kármán Vortex Street）
渦街流量計(jì)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(gè)非流線型的障礙物（稱為“旋渦發(fā)生體”或“ bluff body”）時(shí)，在特定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，流體在障礙物下游兩側(cè)會(huì)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(cuò)排列的旋渦，稱為“渦街”。
二、從流體振動(dòng)到物理信號(hào)：檢測(cè)方式
旋渦的周期性產(chǎn)生會(huì)引起流場(chǎng)中的壓力波動(dòng)和流體振動(dòng)。渦街流量計(jì)通過(guò)傳感器檢測(cè)這些變化，將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。常見(jiàn)的檢測(cè)方法有：
1. 壓電傳感器檢測(cè)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(shí)，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(hào)（壓電效應(yīng)），從而輸出與旋渦頻率對(duì)應(yīng)的交變電壓信號(hào)。
2. 電容式或應(yīng)變片檢測(cè)法
通過(guò)測(cè)量旋渦發(fā)生體因流體作用而產(chǎn)生的微小振動(dòng)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(dòng)變化，構(gòu)成電橋輸出電信號(hào)。
三、信號(hào)處理與輸出
傳感器輸出的原始信號(hào)通常較微弱，且可能混有噪聲（如管道振動(dòng)、流體湍流等）。因此，需要經(jīng)過(guò)以下信號(hào)處理步驟：
1. 放大與濾波
使用前置放大器增強(qiáng)信號(hào)，并通過(guò)帶通濾波器濾除低頻機(jī)械振動(dòng)和高頻電磁干擾。
2. 波形整形
將模擬正弦波信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的方波或脈沖信號(hào)，便于后續(xù)數(shù)字處理。
3. 頻率測(cè)量與流量計(jì)算
微處理器對(duì)脈沖頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)，結(jié)合標(biāo)定的儀表系數(shù)（K-factor）和管道參數(shù)，計(jì)算出瞬時(shí)流量和累積流量。
4. 信號(hào)輸出*
流量數(shù)據(jù)可通過(guò)多種方式輸出：
- 脈沖信號(hào)（用于總量計(jì)量）
- 4–20 mA 模擬信號(hào)（用于遠(yuǎn)傳顯示）
- 數(shù)字通信（如HART、Modbus、Profibus等）
四、優(yōu)點(diǎn)與局限性
優(yōu)點(diǎn)：
無(wú)活動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)成本低
測(cè)量精度較高，量程比寬（可達(dá)1:20以上）
對(duì)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(duì)直管段要求較高，以保證流場(chǎng)穩(wěn)定
不適用于低流速或高粘度流體（雷諾數(shù)過(guò)低時(shí)渦街不穩(wěn)定）
易受管道振動(dòng)干擾，需良好安裝與信號(hào)處理
五、結(jié)語(yǔ)
渦街流量計(jì)巧妙地將流體的宏觀流動(dòng)轉(zhuǎn)化為周期性振動(dòng)，再通過(guò)物理傳感器和電子系統(tǒng)將其“翻譯”為可讀的流量信號(hào)。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(hào)處理的深度融合。隨著智能儀表和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，渦街流量計(jì)的抗干擾能力和測(cè)量精度將持續(xù)提升，繼續(xù)在工業(yè)自動(dòng)化中發(fā)揮重要作用。
