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1、1第六讲第六讲 涡街流量计涡街流量计概述概述uu卡门涡街是流体力学中重要的现象。卡门涡街是流体力学中重要的现象。卡门涡街是流体力学中重要的现象。卡门涡街是流体力学中重要的现象。uu在自然界中常可遇到，在一定条件下在自然界中常可遇到，在一定条件下在自然界中常可遇到，在一定条件下在自然界中常可遇到，在一定条件下的定常流绕过某些物体时，物体两侧的定常流绕过某些物体时，物体两侧的定常流绕过某些物体时，物体两侧的定常流绕过某些物体时，物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排会周期性地脱落出旋转方向相反、排会周期性地脱落出旋转方向相反、排会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡，经过非线性作用列规
2、则的双列线涡，经过非线性作用列规则的双列线涡，经过非线性作用列规则的双列线涡，经过非线性作用后，形成卡门涡街。后，形成卡门涡街。后，形成卡门涡街。后，形成卡门涡街。uu如水流过桥墩，风吹过高塔、烟囱、如水流过桥墩，风吹过高塔、烟囱、如水流过桥墩，风吹过高塔、烟囱、如水流过桥墩，风吹过高塔、烟囱、电线等都会形成电线等都会形成电线等都会形成电线等都会形成卡门涡街卡门涡街卡门涡街卡门涡街。2概述概述uu冯冯冯冯 卡门卡门卡门卡门（TheodorevonKrmn18811963TheodorevonKrmn18811963超声速时代之父超声速时代之父超声速时代之父超声速时代之父）是美）是美）是美）是美
3、藉匈牙利力学家，近代力学的奠基人之一，藉匈牙利力学家，近代力学的奠基人之一，藉匈牙利力学家，近代力学的奠基人之一，藉匈牙利力学家，近代力学的奠基人之一，18811881年年年年5 5月月月月1111日生于匈牙利日生于匈牙利日生于匈牙利日生于匈牙利布达佩斯，布达佩斯，布达佩斯，布达佩斯，19631963年年年年5 5月月月月6 6日卒于德国亚琛。日卒于德国亚琛。日卒于德国亚琛。日卒于德国亚琛。uu19111911年时，他在哥廷根大学当助教。博士生哈依门兹（年时，他在哥廷根大学当助教。博士生哈依门兹（年时，他在哥廷根大学当助教。博士生哈依门兹（年时，他在哥廷根大学当助教。博士生哈依门兹（KarlH
4、iemenzKarlHiemenz）的任务，是设计一个水槽，使能观察到圆柱体后面的流动分裂，用）的任务，是设计一个水槽，使能观察到圆柱体后面的流动分裂，用）的任务，是设计一个水槽，使能观察到圆柱体后面的流动分裂，用）的任务，是设计一个水槽，使能观察到圆柱体后面的流动分裂，用实验来核对按边界层理论计算出来的分裂点。为此，必须先知道在稳实验来核对按边界层理论计算出来的分裂点。为此，必须先知道在稳实验来核对按边界层理论计算出来的分裂点。为此，必须先知道在稳实验来核对按边界层理论计算出来的分裂点。为此，必须先知道在稳定水流中圆柱体周围的压力强度如何分布。定水流中圆柱体周围的压力强度如何分布。定水流中圆
5、柱体周围的压力强度如何分布。定水流中圆柱体周围的压力强度如何分布。uu哈依门兹做好了水槽，但出乎意外的是在进行实验时，发现在水槽中哈依门兹做好了水槽，但出乎意外的是在进行实验时，发现在水槽中哈依门兹做好了水槽，但出乎意外的是在进行实验时，发现在水槽中哈依门兹做好了水槽，但出乎意外的是在进行实验时，发现在水槽中的水流不断地发生激烈的摆动。的水流不断地发生激烈的摆动。的水流不断地发生激烈的摆动。的水流不断地发生激烈的摆动。3概述概述uu这时冯这时冯这时冯这时冯 卡门想，如果水流始终在摆动，这个现象一定会有内在的客观卡门想，如果水流始终在摆动，这个现象一定会有内在的客观卡门想，如果水流始终在摆动，这
6、个现象一定会有内在的客观卡门想，如果水流始终在摆动，这个现象一定会有内在的客观原因。原因。原因。原因。周末，冯周末，冯周末，冯周末，冯 卡门用粗略的运算方法，试计算了一下涡系的稳定性。卡门用粗略的运算方法，试计算了一下涡系的稳定性。卡门用粗略的运算方法，试计算了一下涡系的稳定性。卡门用粗略的运算方法，试计算了一下涡系的稳定性。他假定只有一个涡旋可以自由活动，其他所有的涡旋都固定不动。他假定只有一个涡旋可以自由活动，其他所有的涡旋都固定不动。他假定只有一个涡旋可以自由活动，其他所有的涡旋都固定不动。他假定只有一个涡旋可以自由活动，其他所有的涡旋都固定不动。然后让这一涡旋稍微移动一下位置，看看计算
7、出来会有什么样的然后让这一涡旋稍微移动一下位置，看看计算出来会有什么样的然后让这一涡旋稍微移动一下位置，看看计算出来会有什么样的然后让这一涡旋稍微移动一下位置，看看计算出来会有什么样的结果。结果。结果。结果。uu冯冯冯冯 卡门得到的结论是：如果是对称的排列，那么这个涡旋就一定离开卡门得到的结论是：如果是对称的排列，那么这个涡旋就一定离开卡门得到的结论是：如果是对称的排列，那么这个涡旋就一定离开卡门得到的结论是：如果是对称的排列，那么这个涡旋就一定离开它原来的位置越来越远；而对于反对称的排列，虽然也得到同样的结它原来的位置越来越远；而对于反对称的排列，虽然也得到同样的结它原来的位置越来越远；而对
8、于反对称的排列，虽然也得到同样的结它原来的位置越来越远；而对于反对称的排列，虽然也得到同样的结果，但当行列的间距和相邻涡旋的间距有一定比值对，这涡旋却停留果，但当行列的间距和相邻涡旋的间距有一定比值对，这涡旋却停留果，但当行列的间距和相邻涡旋的间距有一定比值对，这涡旋却停留果，但当行列的间距和相邻涡旋的间距有一定比值对，这涡旋却停留在它原来位置的附近，并且围绕原来的位置作微小的环形路线运动。在它原来位置的附近，并且围绕原来的位置作微小的环形路线运动。在它原来位置的附近，并且围绕原来的位置作微小的环形路线运动。在它原来位置的附近，并且围绕原来的位置作微小的环形路线运动。4概述概述uu冯冯冯冯 卡
9、门自己后来在书中写道：卡门自己后来在书中写道：卡门自己后来在书中写道：卡门自己后来在书中写道：“我并不宣称，这些涡旋是我发现的。我并不宣称，这些涡旋是我发现的。我并不宣称，这些涡旋是我发现的。我并不宣称，这些涡旋是我发现的。早在我生下来之前，大家已知道有早在我生下来之前，大家已知道有早在我生下来之前，大家已知道有早在我生下来之前，大家已知道有这样的涡旋。这样的涡旋。这样的涡旋。这样的涡旋。uu我最早看到的是意大利我最早看到的是意大利我最早看到的是意大利我最早看到的是意大利BolognaBologna教教教教堂中的一张图画。图上画着堂中的一张图画。图上画着堂中的一张图画。图上画着堂中的一张图画。
10、图上画着St.ChristopherSt.Christopher抱着幼年的耶稣涉抱着幼年的耶稣涉抱着幼年的耶稣涉抱着幼年的耶稣涉水过河。画家在水过河。画家在水过河。画家在水过河。画家在ChristopherChristopher的赤的赤的赤的赤脚后面，画上了交错的涡旋。脚后面，画上了交错的涡旋。脚后面，画上了交错的涡旋。脚后面，画上了交错的涡旋。”5概述概述uu19401940年，美国华盛顿州的塔科玛峡谷上花费年，美国华盛顿州的塔科玛峡谷上花费年，美国华盛顿州的塔科玛峡谷上花费年，美国华盛顿州的塔科玛峡谷上花费640640万美元，建造了一座主万美元，建造了一座主万美元，建造了一座主万美元，建造
11、了一座主跨度跨度跨度跨度853.4853.4米的悬索桥。建成米的悬索桥。建成米的悬索桥。建成米的悬索桥。建成4 4个月后，于同年个月后，于同年个月后，于同年个月后，于同年1111月月月月7 7日碰到了一场风速日碰到了一场风速日碰到了一场风速日碰到了一场风速为为为为1919米米米米/秒的风。虽风不算大，但桥却发生了剧烈的扭曲振动，且振幅秒的风。虽风不算大，但桥却发生了剧烈的扭曲振动，且振幅秒的风。虽风不算大，但桥却发生了剧烈的扭曲振动，且振幅秒的风。虽风不算大，但桥却发生了剧烈的扭曲振动，且振幅越来越大（接近越来越大（接近越来越大（接近越来越大（接近9 9米），直到桥面倾斜到米），直到桥面倾斜到
12、米），直到桥面倾斜到米），直到桥面倾斜到4545度左右，使吊杆逐根拉断度左右，使吊杆逐根拉断度左右，使吊杆逐根拉断度左右，使吊杆逐根拉断导致桥面钢梁折断而塌毁，坠落到峡谷之中。导致桥面钢梁折断而塌毁，坠落到峡谷之中。导致桥面钢梁折断而塌毁，坠落到峡谷之中。导致桥面钢梁折断而塌毁，坠落到峡谷之中。uu当时正好有一支好莱坞电影队在以该桥为外景拍摄影片，记录了桥梁当时正好有一支好莱坞电影队在以该桥为外景拍摄影片，记录了桥梁当时正好有一支好莱坞电影队在以该桥为外景拍摄影片，记录了桥梁当时正好有一支好莱坞电影队在以该桥为外景拍摄影片，记录了桥梁从开始振动到最后毁坏的全过程，它后来成为美国联邦公路局调查事
13、从开始振动到最后毁坏的全过程，它后来成为美国联邦公路局调查事从开始振动到最后毁坏的全过程，它后来成为美国联邦公路局调查事从开始振动到最后毁坏的全过程，它后来成为美国联邦公路局调查事故原因的珍贵资料。人们在调查这一事故收集历史资料时，惊异地发故原因的珍贵资料。人们在调查这一事故收集历史资料时，惊异地发故原因的珍贵资料。人们在调查这一事故收集历史资料时，惊异地发故原因的珍贵资料。人们在调查这一事故收集历史资料时，惊异地发现：从现：从现：从现：从18181818年到年到年到年到1919世纪末，由风引起的桥梁振动己至少毁坏了世纪末，由风引起的桥梁振动己至少毁坏了世纪末，由风引起的桥梁振动己至少毁坏了世
14、纪末，由风引起的桥梁振动己至少毁坏了1111座悬座悬座悬座悬索桥。索桥。索桥。索桥。6概述概述7概述概述8概述概述uu冯冯冯冯 卡门卡门卡门卡门19541954年在年在年在年在空气动力学空气动力学空气动力学空气动力学的发展的发展的发展的发展一书中写道：塔科玛海一书中写道：塔科玛海一书中写道：塔科玛海一书中写道：塔科玛海峽大桥的毁坏，是由周期性旋涡峽大桥的毁坏，是由周期性旋涡峽大桥的毁坏，是由周期性旋涡峽大桥的毁坏，是由周期性旋涡的共振引起的。的共振引起的。的共振引起的。的共振引起的。uu设计的人想建造一个较便宜的结设计的人想建造一个较便宜的结设计的人想建造一个较便宜的结设计的人想建造一个较便宜
15、的结构，采用了平钣来代替桁架作为构，采用了平钣来代替桁架作为构，采用了平钣来代替桁架作为构，采用了平钣来代替桁架作为边墙。不幸，这些平钣引起了涡边墙。不幸，这些平钣引起了涡边墙。不幸，这些平钣引起了涡边墙。不幸，这些平钣引起了涡旋的发放，使桥身开始扭转振动。旋的发放，使桥身开始扭转振动。旋的发放，使桥身开始扭转振动。旋的发放，使桥身开始扭转振动。这一大桥的破坏现象，是振动与这一大桥的破坏现象，是振动与这一大桥的破坏现象，是振动与这一大桥的破坏现象，是振动与涡旋发放发生共振而引起的。涡旋发放发生共振而引起的。涡旋发放发生共振而引起的。涡旋发放发生共振而引起的。9概述概述uu2020世纪世纪世纪世
16、纪6060年代，经过计算和实验，证明了冯年代，经过计算和实验，证明了冯年代，经过计算和实验，证明了冯年代，经过计算和实验，证明了冯 卡门的分折是正确的。塔卡门的分折是正确的。塔卡门的分折是正确的。塔卡门的分折是正确的。塔科玛桥的风毁事故，是流体流经边墙时，产生了卡门涡街；科玛桥的风毁事故，是流体流经边墙时，产生了卡门涡街；科玛桥的风毁事故，是流体流经边墙时，产生了卡门涡街；科玛桥的风毁事故，是流体流经边墙时，产生了卡门涡街；uu卡门涡街后涡的交替发放，会在物体上产生垂直于流动方向的交变侧卡门涡街后涡的交替发放，会在物体上产生垂直于流动方向的交变侧卡门涡街后涡的交替发放，会在物体上产生垂直于流动
17、方向的交变侧卡门涡街后涡的交替发放，会在物体上产生垂直于流动方向的交变侧向力，迫使桥梁产生振动，当发放频率与桥梁结构的固有频率相耦合向力，迫使桥梁产生振动，当发放频率与桥梁结构的固有频率相耦合向力，迫使桥梁产生振动，当发放频率与桥梁结构的固有频率相耦合向力，迫使桥梁产生振动，当发放频率与桥梁结构的固有频率相耦合时，就会发生共振，造成破坏。时，就会发生共振，造成破坏。时，就会发生共振，造成破坏。时，就会发生共振，造成破坏。10概述概述uu实际上，卡门涡街并不全是会造成不幸的事故，它也有很实际上，卡门涡街并不全是会造成不幸的事故，它也有很实际上，卡门涡街并不全是会造成不幸的事故，它也有很实际上，卡
18、门涡街并不全是会造成不幸的事故，它也有很成功的应用。成功的应用。成功的应用。成功的应用。比如己在工业中广泛使用的卡门涡街流量计比如己在工业中广泛使用的卡门涡街流量计比如己在工业中广泛使用的卡门涡街流量计比如己在工业中广泛使用的卡门涡街流量计（VSFVSF），），），），就就就就是利用卡门涡街现象制造的一种流量计。是利用卡门涡街现象制造的一种流量计。是利用卡门涡街现象制造的一种流量计。是利用卡门涡街现象制造的一种流量计。uu它将涡旋发生体垂直插入到流体中时，流体绕过发生体时它将涡旋发生体垂直插入到流体中时，流体绕过发生体时它将涡旋发生体垂直插入到流体中时，流体绕过发生体时它将涡旋发生体垂直插入到
19、流体中时，流体绕过发生体时会形成卡门涡街，在满足一定的条件下，非对称涡列就能会形成卡门涡街，在满足一定的条件下，非对称涡列就能会形成卡门涡街，在满足一定的条件下，非对称涡列就能会形成卡门涡街，在满足一定的条件下，非对称涡列就能保持稳定。保持稳定。保持稳定。保持稳定。11概述概述19111911年年 冯卡门（发现涡街）与钱学森（出生）冯卡门（发现涡街）与钱学森（出生）12概述概述uu涡旋的频率涡旋的频率涡旋的频率涡旋的频率f f与流体的流速与流体的流速与流体的流速与流体的流速v v及涡旋发生体的宽度及涡旋发生体的宽度及涡旋发生体的宽度及涡旋发生体的宽度d d有如下关有如下关有如下关有如下关系：系
20、：系：系：f=Sr(v/d)f=Sr(v/d)其中其中其中其中SrSr为斯特劳哈尔数，在正常工作条件下为常数。为斯特劳哈尔数，在正常工作条件下为常数。为斯特劳哈尔数，在正常工作条件下为常数。为斯特劳哈尔数，在正常工作条件下为常数。斯特劳哈尔数与雷诺数关系曲线 13发展历史发展历史uu涡街流量计涡街流量计涡街流量计涡街流量计（VSFVSF）是是是是2020世纪中期发展的流量计，它具有世纪中期发展的流量计，它具有世纪中期发展的流量计，它具有世纪中期发展的流量计，它具有以下一些特点：以下一些特点：以下一些特点：以下一些特点：可得到与流量成正比的频率输出信号；可得到与流量成正比的频率输出信号；可得到与
21、流量成正比的频率输出信号；可得到与流量成正比的频率输出信号；被测流体本身即为振动体，故无机械可动部件；被测流体本身即为振动体，故无机械可动部件；被测流体本身即为振动体，故无机械可动部件；被测流体本身即为振动体，故无机械可动部件；几乎不受流体组成、密度、粘度、压力等因素的影响，适几乎不受流体组成、密度、粘度、压力等因素的影响，适几乎不受流体组成、密度、粘度、压力等因素的影响，适几乎不受流体组成、密度、粘度、压力等因素的影响，适用介质范围广；用介质范围广；用介质范围广；用介质范围广；精度高（理论上可达到精度高（理论上可达到精度高（理论上可达到精度高（理论上可达到0.1%0.1%）；）；）；）；与节
22、流流量计相比它的压力损失小流量量程比宽（理论上与节流流量计相比它的压力损失小流量量程比宽（理论上与节流流量计相比它的压力损失小流量量程比宽（理论上与节流流量计相比它的压力损失小流量量程比宽（理论上可超过可超过可超过可超过3838：1 1）。）。）。）。14发展历史发展历史uu人们早期对涡街的研究主要是防灾的目的，如锅炉及换热器钢管固有人们早期对涡街的研究主要是防灾的目的，如锅炉及换热器钢管固有人们早期对涡街的研究主要是防灾的目的，如锅炉及换热器钢管固有人们早期对涡街的研究主要是防灾的目的，如锅炉及换热器钢管固有频率与流体涡街频率合拍将产生共振而破坏设备。频率与流体涡街频率合拍将产生共振而破坏设
23、备。频率与流体涡街频率合拍将产生共振而破坏设备。频率与流体涡街频率合拍将产生共振而破坏设备。涡街流体振动现象用于测量研究始于涡街流体振动现象用于测量研究始于涡街流体振动现象用于测量研究始于涡街流体振动现象用于测量研究始于2020世纪世纪世纪世纪5050年代，如风速计和年代，如风速计和年代，如风速计和年代，如风速计和船速计等。船速计等。船速计等。船速计等。6060年代末开始研制封闭管道流量计年代末开始研制封闭管道流量计年代末开始研制封闭管道流量计年代末开始研制封闭管道流量计-涡街流量计，诞生了热丝检涡街流量计，诞生了热丝检涡街流量计，诞生了热丝检涡街流量计，诞生了热丝检测法及热敏检测法测法及热敏
24、检测法测法及热敏检测法测法及热敏检测法VSFVSF。7070、8080年代涡街流量计发展异常迅速，开发出众多类型阻流体及年代涡街流量计发展异常迅速，开发出众多类型阻流体及年代涡街流量计发展异常迅速，开发出众多类型阻流体及年代涡街流量计发展异常迅速，开发出众多类型阻流体及检测法的涡街流量计，并大量投放市场，像这样在短短几年时间检测法的涡街流量计，并大量投放市场，像这样在短短几年时间检测法的涡街流量计，并大量投放市场，像这样在短短几年时间检测法的涡街流量计，并大量投放市场，像这样在短短几年时间内就达到从实验室样机到批量生产过程的流量计还绝无仅有。内就达到从实验室样机到批量生产过程的流量计还绝无仅有
25、。内就达到从实验室样机到批量生产过程的流量计还绝无仅有。内就达到从实验室样机到批量生产过程的流量计还绝无仅有。15发展历史发展历史uu由于以上的优点，在涡街问世之初，受到了国内外流量工由于以上的优点，在涡街问世之初，受到了国内外流量工由于以上的优点，在涡街问世之初，受到了国内外流量工由于以上的优点，在涡街问世之初，受到了国内外流量工作者的广泛重视，并被看成新一代流量计的发展趋势。作者的广泛重视，并被看成新一代流量计的发展趋势。作者的广泛重视，并被看成新一代流量计的发展趋势。作者的广泛重视，并被看成新一代流量计的发展趋势。但是，由于当时电子及计算机发展水平的限制，涡街流量但是，由于当时电子及计算
26、机发展水平的限制，涡街流量但是，由于当时电子及计算机发展水平的限制，涡街流量但是，由于当时电子及计算机发展水平的限制，涡街流量计的实际水平一直差强人意，并没有得到很好地发展。计的实际水平一直差强人意，并没有得到很好地发展。计的实际水平一直差强人意，并没有得到很好地发展。计的实际水平一直差强人意，并没有得到很好地发展。uu总的来看，目前涡街流量计主要存在有抗震性差、量程比总的来看，目前涡街流量计主要存在有抗震性差、量程比总的来看，目前涡街流量计主要存在有抗震性差、量程比总的来看，目前涡街流量计主要存在有抗震性差、量程比不够宽（特别是小流量计量不准）、适用介质有一定的限不够宽（特别是小流量计量不准
27、）、适用介质有一定的限不够宽（特别是小流量计量不准）、适用介质有一定的限不够宽（特别是小流量计量不准）、适用介质有一定的限制等缺点，这也是阻碍涡街发展应用的主要问题所在，怎制等缺点，这也是阻碍涡街发展应用的主要问题所在，怎制等缺点，这也是阻碍涡街发展应用的主要问题所在，怎制等缺点，这也是阻碍涡街发展应用的主要问题所在，怎样提高涡街的整体性能，提高涡街的可靠性是涡街发展应样提高涡街的整体性能，提高涡街的可靠性是涡街发展应样提高涡街的整体性能，提高涡街的可靠性是涡街发展应样提高涡街的整体性能，提高涡街的可靠性是涡街发展应用中的根本问题。用中的根本问题。用中的根本问题。用中的根本问题。16工作原理与
28、结构工作原理与结构uu涡街发生体、检测元件、信号处理放大电路组成涡街发生体、检测元件、信号处理放大电路组成涡街发生体、检测元件、信号处理放大电路组成涡街发生体、检测元件、信号处理放大电路组成 以三角型发生体为最佳型体以三角型发生体为最佳型体以三角型发生体为最佳型体以三角型发生体为最佳型体 旋涡发生体两侧交替地产生有规律的旋涡旋涡发生体两侧交替地产生有规律的旋涡旋涡发生体两侧交替地产生有规律的旋涡旋涡发生体两侧交替地产生有规律的旋涡，随介质流量增，随介质流量增，随介质流量增，随介质流量增大频率增大，同时旋涡的力度也增强，并且研究表明旋涡大频率增大，同时旋涡的力度也增强，并且研究表明旋涡大频率增大
29、，同时旋涡的力度也增强，并且研究表明旋涡大频率增大，同时旋涡的力度也增强，并且研究表明旋涡力度的大小与旋涡频率的平方成正比增长力度的大小与旋涡频率的平方成正比增长力度的大小与旋涡频率的平方成正比增长力度的大小与旋涡频率的平方成正比增长 17工作原理与结构工作原理与结构uu为了得到旋涡的频率，从而计算出流体流量，需要使用检为了得到旋涡的频率，从而计算出流体流量，需要使用检为了得到旋涡的频率，从而计算出流体流量，需要使用检为了得到旋涡的频率，从而计算出流体流量，需要使用检测元件来测量。测元件来测量。测元件来测量。测元件来测量。热敏电阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻应变片应变片应变片应变片压电晶体压电晶体
30、压电晶体压电晶体差动电容差动电容差动电容差动电容超声波超声波超声波超声波 18工作原理与结构工作原理与结构uu旋涡发生体旋涡发生体旋涡发生体旋涡发生体 能控制旋涡在旋涡发生体轴线方向上同步分离能控制旋涡在旋涡发生体轴线方向上同步分离能控制旋涡在旋涡发生体轴线方向上同步分离能控制旋涡在旋涡发生体轴线方向上同步分离在较宽的雷诺数范围内，有稳定的旋涡分离点，保持恒定的斯特在较宽的雷诺数范围内，有稳定的旋涡分离点，保持恒定的斯特在较宽的雷诺数范围内，有稳定的旋涡分离点，保持恒定的斯特在较宽的雷诺数范围内，有稳定的旋涡分离点，保持恒定的斯特劳哈尔数劳哈尔数劳哈尔数劳哈尔数能产生强烈的涡街，信号的信噪比高
31、能产生强烈的涡街，信号的信噪比高能产生强烈的涡街，信号的信噪比高能产生强烈的涡街，信号的信噪比高形状和结构简单，便于加工和几何参数标准化，以及各种检测元形状和结构简单，便于加工和几何参数标准化，以及各种检测元形状和结构简单，便于加工和几何参数标准化，以及各种检测元形状和结构简单，便于加工和几何参数标准化，以及各种检测元件的安装和组合件的安装和组合件的安装和组合件的安装和组合材质应满足流体性质的要求，耐腐蚀，耐磨蚀，耐温度变化材质应满足流体性质的要求，耐腐蚀，耐磨蚀，耐温度变化材质应满足流体性质的要求，耐腐蚀，耐磨蚀，耐温度变化材质应满足流体性质的要求，耐腐蚀，耐磨蚀，耐温度变化固有频率在涡街信
32、号的频带外固有频率在涡街信号的频带外固有频率在涡街信号的频带外固有频率在涡街信号的频带外 19工作原理与结构工作原理与结构单旋涡发生体 双、多旋涡发生体 三角柱旋涡发生体 20工作原理与结构工作原理与结构uu检测元件检测元件检测元件检测元件用设置在旋涡发生体内的检测元件直接检测发生体两侧差压；用设置在旋涡发生体内的检测元件直接检测发生体两侧差压；用设置在旋涡发生体内的检测元件直接检测发生体两侧差压；用设置在旋涡发生体内的检测元件直接检测发生体两侧差压；旋涡发生体上开设导压孔，在导压孔中安装检测元件检测发生体旋涡发生体上开设导压孔，在导压孔中安装检测元件检测发生体旋涡发生体上开设导压孔，在导压孔
33、中安装检测元件检测发生体旋涡发生体上开设导压孔，在导压孔中安装检测元件检测发生体两侧差压；两侧差压；两侧差压；两侧差压；检测旋涡发生体周围交变环流；检测旋涡发生体周围交变环流；检测旋涡发生体周围交变环流；检测旋涡发生体周围交变环流；检测旋涡发生体背面交变差压；检测旋涡发生体背面交变差压；检测旋涡发生体背面交变差压；检测旋涡发生体背面交变差压；检测尾流中旋涡列。检测尾流中旋涡列。检测尾流中旋涡列。检测尾流中旋涡列。uu根据这根据这根据这根据这5 5种检测方式，采用不同的检测技术（热敏、超声、应力、应变、种检测方式，采用不同的检测技术（热敏、超声、应力、应变、种检测方式，采用不同的检测技术（热敏、
34、超声、应力、应变、种检测方式，采用不同的检测技术（热敏、超声、应力、应变、电容、电磁、光电、光纤等）可以构成不同类型的电容、电磁、光电、光纤等）可以构成不同类型的电容、电磁、光电、光纤等）可以构成不同类型的电容、电磁、光电、光纤等）可以构成不同类型的VSFVSF 21工作原理与结构工作原理与结构uu转换器转换器转换器转换器 uu检测元件把涡街信号转换成电信号，该信号既微弱又含有不同成分检测元件把涡街信号转换成电信号，该信号既微弱又含有不同成分检测元件把涡街信号转换成电信号，该信号既微弱又含有不同成分检测元件把涡街信号转换成电信号，该信号既微弱又含有不同成分的噪声，必须进行放大、滤波、整形等处理
35、才能得出与流量成比例的噪声，必须进行放大、滤波、整形等处理才能得出与流量成比例的噪声，必须进行放大、滤波、整形等处理才能得出与流量成比例的噪声，必须进行放大、滤波、整形等处理才能得出与流量成比例的脉冲信号。的脉冲信号。的脉冲信号。的脉冲信号。检测方法检测方法热敏式热敏式超声式超声式应变式应变式应力式应力式电容式电容式光电式光电式电磁式电磁式前置前置放大器放大器恒流恒流放大器放大器选频选频放大器放大器恒流恒流放大器放大器电荷电荷放大器放大器调谐调谐-振动振动放大器放大器光电光电放大器放大器低频低频放大器放大器22工作原理与结构工作原理与结构转换器原理框图 23工作原理与结构工作原理与结构uu仪表
36、表体仪表表体仪表表体仪表表体24工作原理与结构工作原理与结构uu现代物理学中力与加速度现代物理学中力与加速度现代物理学中力与加速度现代物理学中力与加速度的关系为：的关系为：的关系为：的关系为：F=maF=mauu从此公式可以得知，压电从此公式可以得知，压电从此公式可以得知，压电从此公式可以得知，压电晶体产生的电荷量与加速晶体产生的电荷量与加速晶体产生的电荷量与加速晶体产生的电荷量与加速度是成正比的。度是成正比的。度是成正比的。度是成正比的。uu进而，根据能量守恒原理，进而，根据能量守恒原理，进而，根据能量守恒原理，进而，根据能量守恒原理，此力（或加速度）被转换此力（或加速度）被转换此力（或加速
37、度）被转换此力（或加速度）被转换为一振动信号。为一振动信号。为一振动信号。为一振动信号。传统模拟放大电路的频谱 25工作原理与结构工作原理与结构uu在一定雷诺数范围内，输在一定雷诺数范围内，输在一定雷诺数范围内，输在一定雷诺数范围内，输出频率信号不受流体物性出频率信号不受流体物性出频率信号不受流体物性出频率信号不受流体物性（密度，粘度）和组分的（密度，粘度）和组分的（密度，粘度）和组分的（密度，粘度）和组分的影响，即仪表系数仅与旋影响，即仪表系数仅与旋影响，即仪表系数仅与旋影响，即仪表系数仅与旋涡发生体及管道的形状尺涡发生体及管道的形状尺涡发生体及管道的形状尺涡发生体及管道的形状尺寸有关，只需
38、在一种典型寸有关，只需在一种典型寸有关，只需在一种典型寸有关，只需在一种典型介质中校验而适用于各种介质中校验而适用于各种介质中校验而适用于各种介质中校验而适用于各种介质介质介质介质。不同测量介质的斯特劳哈尔数 26局限性局限性uuVSFVSF不适用于不适用于不适用于不适用于低雷诺数测量低雷诺数测量低雷诺数测量低雷诺数测量（ReD210ReD2104 4），故在高粘度、），故在高粘度、），故在高粘度、），故在高粘度、低流速、小口径情况下应用受到限制。低流速、小口径情况下应用受到限制。低流速、小口径情况下应用受到限制。低流速、小口径情况下应用受到限制。uu旋涡分离的稳定性受流速分布畸变及旋转流的影
39、响，应根旋涡分离的稳定性受流速分布畸变及旋转流的影响，应根旋涡分离的稳定性受流速分布畸变及旋转流的影响，应根旋涡分离的稳定性受流速分布畸变及旋转流的影响，应根据上游侧不同形式的阻流件配置足够长的直管段或装设流据上游侧不同形式的阻流件配置足够长的直管段或装设流据上游侧不同形式的阻流件配置足够长的直管段或装设流据上游侧不同形式的阻流件配置足够长的直管段或装设流动调整器（整流器），一般可借鉴节流式差压流量计的直动调整器（整流器），一般可借鉴节流式差压流量计的直动调整器（整流器），一般可借鉴节流式差压流量计的直动调整器（整流器），一般可借鉴节流式差压流量计的直管段长度要求安装。管段长度要求安装。管段长
40、度要求安装。管段长度要求安装。27局限性局限性uu力敏检测法力敏检测法力敏检测法力敏检测法VSFVSF对管道机械振动较敏感，不宜用于强振动对管道机械振动较敏感，不宜用于强振动对管道机械振动较敏感，不宜用于强振动对管道机械振动较敏感，不宜用于强振动场所。场所。场所。场所。uu与涡轮流量计相比仪表系数较低，分辨率低，口径愈大愈与涡轮流量计相比仪表系数较低，分辨率低，口径愈大愈与涡轮流量计相比仪表系数较低，分辨率低，口径愈大愈与涡轮流量计相比仪表系数较低，分辨率低，口径愈大愈低，一般满管式流量计用于低，一般满管式流量计用于低，一般满管式流量计用于低，一般满管式流量计用于DN300DN300以下。以下
41、。以下。以下。uu仪表在脉动流、混相流中尚欠缺理论研究和实践经验。仪表在脉动流、混相流中尚欠缺理论研究和实践经验。仪表在脉动流、混相流中尚欠缺理论研究和实践经验。仪表在脉动流、混相流中尚欠缺理论研究和实践经验。28分类分类uu传感器连接方式传感器连接方式法兰型法兰型法兰型法兰型夹装型夹装型夹装型夹装型uu检测方式检测方式热敏式热敏式热敏式热敏式应力式应力式应力式应力式电容式电容式电容式电容式应变式应变式应变式应变式超声式超声式超声式超声式振动体式振动体式振动体式振动体式光电式光电式光电式光电式光纤式光纤式光纤式光纤式uu用途用途普通型普通型普通型普通型防爆型防爆型防爆型防爆型高温型高温型高温型
42、高温型耐腐型耐腐型耐腐型耐腐型低温型低温型低温型低温型插入式插入式插入式插入式汽车专用型等汽车专用型等汽车专用型等汽车专用型等uu传感器与转换器组成传感器与转换器组成一体型一体型一体型一体型分离型分离型分离型分离型uu测量原理测量原理体积流量计体积流量计体积流量计体积流量计质量流量计质量流量计质量流量计质量流量计29分类分类uu应力式应力式应力式应力式VSFVSFuu把检测元件受到的升力以应力形式把检测元件受到的升力以应力形式把检测元件受到的升力以应力形式把检测元件受到的升力以应力形式作用在压电晶体元件上，转换成交作用在压电晶体元件上，转换成交作用在压电晶体元件上，转换成交作用在压电晶体元件上
43、，转换成交变的电荷信号，经电荷放大、滤波、变的电荷信号，经电荷放大、滤波、变的电荷信号，经电荷放大、滤波、变的电荷信号，经电荷放大、滤波、整形后得到旋涡频率信号。整形后得到旋涡频率信号。整形后得到旋涡频率信号。整形后得到旋涡频率信号。uu压电传感器响应快、信号强、工艺压电传感器响应快、信号强、工艺压电传感器响应快、信号强、工艺压电传感器响应快、信号强、工艺性好、制造成本低、与测量介质不性好、制造成本低、与测量介质不性好、制造成本低、与测量介质不性好、制造成本低、与测量介质不接触、可靠性高。仪表的工作温度接触、可靠性高。仪表的工作温度接触、可靠性高。仪表的工作温度接触、可靠性高。仪表的工作温度范
44、围宽，现场适应性强，可靠性较范围宽，现场适应性强，可靠性较范围宽，现场适应性强，可靠性较范围宽，现场适应性强，可靠性较高，它是目前高，它是目前高，它是目前高，它是目前VSFVSF的主要产品类型。的主要产品类型。的主要产品类型。的主要产品类型。1-表头组；2-三角柱；3-表体；4-联轴；5-压板；6-探头；7-密封垫；8-接头；9-密封垫圈；10-螺栓；11-销；12-铭牌；13-圆螺母；14-支架；15-螺栓 30分类分类uu电容式电容式电容式电容式VSFVSFuu安装在涡街流量传感器中的电容安装在涡街流量传感器中的电容安装在涡街流量传感器中的电容安装在涡街流量传感器中的电容检测元件相当于一个
45、悬臂梁。检测元件相当于一个悬臂梁。检测元件相当于一个悬臂梁。检测元件相当于一个悬臂梁。uu当旋涡产生时，在两侧形成微小当旋涡产生时，在两侧形成微小当旋涡产生时，在两侧形成微小当旋涡产生时，在两侧形成微小的压差，使振动体绕支点产生微的压差，使振动体绕支点产生微的压差，使振动体绕支点产生微的压差，使振动体绕支点产生微小变形，从而导致一个电容间隙小变形，从而导致一个电容间隙小变形，从而导致一个电容间隙小变形，从而导致一个电容间隙减少（电容量增大），另一个电减少（电容量增大），另一个电减少（电容量增大），另一个电减少（电容量增大），另一个电容间隙增大（电容量下降），通容间隙增大（电容量下降），通容间隙
46、增大（电容量下降），通容间隙增大（电容量下降），通过差分电路检测电容差值。过差分电路检测电容差值。过差分电路检测电容差值。过差分电路检测电容差值。电容式检测元件 31分类分类uu热敏式热敏式热敏式热敏式VSFVSF uu旋涡分离引起局部流旋涡分离引起局部流旋涡分离引起局部流旋涡分离引起局部流速变化，改变热敏电速变化，改变热敏电速变化，改变热敏电速变化，改变热敏电阻阻值，恒流电路把阻阻值，恒流电路把阻阻值，恒流电路把阻阻值，恒流电路把桥路电阻变化转换为桥路电阻变化转换为桥路电阻变化转换为桥路电阻变化转换为交变电压信号。交变电压信号。交变电压信号。交变电压信号。热敏式涡街流量计 32分类分类uu超
47、声式超声式超声式超声式VSFVSF uu在管壁上安装二对超声探头在管壁上安装二对超声探头在管壁上安装二对超声探头在管壁上安装二对超声探头T1T1，R1R1，T2T2，R2R2，探头，探头，探头，探头T1T1，T2T2发发发发射高频、连续声信号，声波横穿射高频、连续声信号，声波横穿射高频、连续声信号，声波横穿射高频、连续声信号，声波横穿流体传播。流体传播。流体传播。流体传播。uu当旋涡通过声束时，每一对旋转当旋涡通过声束时，每一对旋转当旋涡通过声束时，每一对旋转当旋涡通过声束时，每一对旋转方向相反的旋涡对声波产生一个方向相反的旋涡对声波产生一个方向相反的旋涡对声波产生一个方向相反的旋涡对声波产生
48、一个周期的调制作用，受调制声波被周期的调制作用，受调制声波被周期的调制作用，受调制声波被周期的调制作用，受调制声波被接收探头接收探头接收探头接收探头R1R1，R2R2转换成电信号，转换成电信号，转换成电信号，转换成电信号，经放大、检波、整形后得旋涡信经放大、检波、整形后得旋涡信经放大、检波、整形后得旋涡信经放大、检波、整形后得旋涡信号。号。号。号。超声式涡街流量传感器 33分类分类uu振动体式振动体式振动体式振动体式VSFVSF uu在旋涡发生体轴向开设圆在旋涡发生体轴向开设圆在旋涡发生体轴向开设圆在旋涡发生体轴向开设圆柱形深孔，孔内放置软磁柱形深孔，孔内放置软磁柱形深孔，孔内放置软磁柱形深孔
49、，孔内放置软磁材料制作的轻质空心小球材料制作的轻质空心小球材料制作的轻质空心小球材料制作的轻质空心小球或圆盘（振动体），旋涡或圆盘（振动体），旋涡或圆盘（振动体），旋涡或圆盘（振动体），旋涡分离产生的差压推动振动分离产生的差压推动振动分离产生的差压推动振动分离产生的差压推动振动体上下运动，位于振动体体上下运动，位于振动体体上下运动，位于振动体体上下运动，位于振动体上方的电磁传感器检测出上方的电磁传感器检测出上方的电磁传感器检测出上方的电磁传感器检测出旋涡频率。旋涡频率。旋涡频率。旋涡频率。振动体式涡街流量计 34分类分类uu升力式涡街质量流量计升力式涡街质量流量计升力式涡街质量流量计升力式涡街
50、质量流量计 uu从压电检测元件取出旋涡信号，从压电检测元件取出旋涡信号，从压电检测元件取出旋涡信号，从压电检测元件取出旋涡信号，经电荷转换器后分两路：经电荷转换器后分两路：经电荷转换器后分两路：经电荷转换器后分两路：uu一路经有源滤波器、施密特整一路经有源滤波器、施密特整一路经有源滤波器、施密特整一路经有源滤波器、施密特整形器和形器和形器和形器和f/Vf/V转换器，获得与流速转换器，获得与流速转换器，获得与流速转换器，获得与流速成正比的信号；成正比的信号；成正比的信号；成正比的信号；uu另一路经放大器、滤波器获得另一路经放大器、滤波器获得另一路经放大器、滤波器获得另一路经放大器、滤波器获得与与