流量是一個(gè)動(dòng)態(tài)量，處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的液體內(nèi)部不僅存在著粘性摩擦作用，還會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的旋渦和二次流等復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象。測(cè)量?jī)x表本身受到眾多因素的影響，如：管道、口徑大小、形狀（圓形、矩形）、邊界條件、流體的流動(dòng)狀態(tài)（紊流狀態(tài)、流速分布等）以及安裝條件與水平等。目前用于煤礦測(cè)定瓦斯抽放管道流量的儀器有孔板流量計(jì)、文丘里管流量計(jì)、皮托管、風(fēng)速表、熱球式風(fēng)速計(jì)等，其中只有孔板流量計(jì)應(yīng)用，其他方法因測(cè)量誤差比較大，實(shí)際使用的比較少?？装辶髁坑?jì)雖然測(cè)量精度高、但由于其采用的原理是節(jié)流原理，人為減小了抽放管道的直徑，從而大大地增加阻力而影響抽放效果。

    渦街氣體流量?jī)x是根據(jù)卡門渦街原理直接測(cè)量氣體流量，它采用便攜式結(jié)構(gòu)，可直接顯示測(cè)定結(jié)果，可進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量，無阻力損失，使用方便，體積小、重量輕：傳感器采用插入結(jié)構(gòu)可防止生銹及意外損壞，有利于保護(hù)儀器安全，儀器測(cè)量精度高。如何根據(jù)流量、流態(tài)、安裝要求與環(huán)境條件、經(jīng)濟(jì)性等因素合理選型，是應(yīng)用好儀表的前提和基礎(chǔ)。除了儀表自身質(zhì)量要得到保證，工藝數(shù)據(jù)的提供和儀表的安裝、使用、維護(hù)是否合理也相當(dāng)重要。

    1 渦街流量計(jì)的測(cè)量原理

    渦街流量計(jì)作為一種新型流量計(jì)，20世紀(jì)80年代中期以來發(fā)展較快，它在流量測(cè)量方面有著諸多的優(yōu)點(diǎn)和長(zhǎng)處，在現(xiàn)代流量測(cè)量中應(yīng)用越來越廣泛。在國(guó)內(nèi)使用渦街流量計(jì)進(jìn)行流量測(cè)量也愈來愈得到重視，目前我國(guó)已有性能優(yōu)良并有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品系列。

    渦街流量計(jì)的原理是在流量計(jì)管道中，設(shè)置一滯流件，當(dāng)流體流經(jīng)滯流件時(shí)，由于滯流件表面的滯流作用等原因，在其下游會(huì)產(chǎn)生兩列不對(duì)稱的旋渦，這些旋渦在滯流件的側(cè)后方分開，形成所謂的卡門（Karman）旋渦列，兩列旋渦的旋轉(zhuǎn)方向是相反的， 卡門從理論上證明了當(dāng)h/L=0.281（h為兩旋渦列之間的寬度，L為兩個(gè)相臨旋渦間的距離）時(shí)，旋渦列是穩(wěn)定的，在此情況下，產(chǎn)生旋渦的頻率f與流量計(jì)管道中流體流速υ的關(guān)系為：

式中 d———圓柱形滯流件的直徑；
     υ———流體的流速，m/s；
     s———無量綱常數(shù)，稱為Stroual數(shù)，與流體流動(dòng)狀態(tài)的雷諾數(shù)Re有關(guān)。

    流量計(jì)圓截面管道的雷諾數(shù)Re為：

式中 ρ———流體的密度，kg/m3；
     μ———流體的動(dòng)力粘度，（kg/m）/s；

    其他符號(hào)意義同上。而流體的流量為：

式中　Q———管道流體的流量，m3/s；
    　A———管道斷面積，m2。

    從上式可見，渦街流量計(jì)選型設(shè)計(jì)完畢，流量Q不僅與f有關(guān)，而且與雷諾數(shù)Re也有關(guān)。雷諾數(shù)Re是表征粘性流體流動(dòng)特性的一個(gè)無量綱數(shù)，其物理意義是流體流動(dòng)的慣性力與粘滯力的比值。旋渦發(fā)生所產(chǎn)生的旋渦頻率需由感測(cè)器來測(cè)定，感測(cè)器獲得的信號(hào)經(jīng)放大、濾波整形等處理后得到代表渦街頻率的脈沖信號(hào)，供單片機(jī)進(jìn)行處理和顯示。感測(cè)器分流體振蕩感測(cè)和壓力變化感測(cè)兩大類。流體振蕩感測(cè)屬于接觸式，控測(cè)元件易受流體污染，但抗*力強(qiáng)；壓力變化感測(cè)屬于非接觸式，探測(cè)元件不易受流體污染，但易受振動(dòng)等因素的干擾。流體的流動(dòng)狀態(tài)對(duì)渦街流量計(jì)的使用也有一定的影響。如果環(huán)境參數(shù)對(duì)流體流動(dòng)狀態(tài)有影響也會(huì)影響到渦街流量計(jì)的使用性能。

    2　渦街流量計(jì)的結(jié)構(gòu)

    旋渦發(fā)生體形狀有圓柱、三角往、T型柱、四角柱等，以下主要介紹圓柱與三角柱這兩種型式。

    （1）圓柱型旋渦發(fā)生體。前面關(guān)于旋渦理論部分的內(nèi)容就是以圓柱為例進(jìn)行討論的。雖然這種型式使用較早，但嚴(yán)格地說，在高流速下它的斯特羅哈數(shù)St并不穩(wěn)定。因此，人們就將其改進(jìn)成開狹縫或?qū)嚎仔问健?/p>

    開導(dǎo)壓孔的圓柱旋渦發(fā)生器如圖1所示。由于有導(dǎo)壓孔存在，當(dāng)旋渦發(fā)出的同時(shí)產(chǎn)生的交替升力使流體通過導(dǎo)壓孔流動(dòng)，產(chǎn)生一邊吸入，一邊吹出的效果。當(dāng)流體附面層在圓柱表面開始分離時(shí)，在吸入一側(cè)，分離被抑制；在吹出一側(cè)，分離則被促進(jìn)發(fā)生。這樣就可使流體分離點(diǎn)的位置固定下來，也就可以使斯特羅哈數(shù)St相對(duì)穩(wěn)定。

圖1　圓柱旋渦發(fā)生器

    （2）三角柱型旋渦發(fā)生體。目前采用較多的旋渦發(fā)生體是三角柱形的，其形狀一般由實(shí)驗(yàn)確定。它不僅可以得到比圓柱更強(qiáng)烈的旋渦，而且它的邊界層分離點(diǎn)是固定的，即其斯特羅哈數(shù)St相對(duì)恒定，大約為St=0.16.這樣，渦頻與流速的關(guān)系為f=0.16v/d，其中d為三角柱的底邊寬度。形狀可見圖2所示。

圖2　電容式三角柱旋渦發(fā)生體

    3　渦街流量計(jì)的安裝應(yīng)用

    渦街流量計(jì)是基于流體振動(dòng)發(fā)展起來的，根據(jù)渦街結(jié)構(gòu)材料的不同，檢測(cè)方式從熱絲式、熱敏式逐漸發(fā)展了應(yīng)力式、磁敏式及差動(dòng)開關(guān)電容式、超聲波式等。渦街流量計(jì)幾乎可用于一切可形成渦街列的場(chǎng)合。與孔板式流量計(jì)相比，渦街流量計(jì)測(cè)量范圍大，壓力損失小，準(zhǔn)確度高，安裝與維護(hù)簡(jiǎn)單。在安裝渦街流量計(jì)過程中，可分為卡裝式、插入式卡裝式變徑和插入式變徑等幾種，這取決于管徑的具體情況而定，如圖3所示。安裝位置如圖4所示。

    目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)的渦街流量計(jì)作為一種新型的傳感器在煤礦中使用，它的輸出信號(hào)大多為頻率型，范圍為200～1000Hz，可以直接接入瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)，與其聯(lián)網(wǎng)，用特定的軟件顯示出瞬時(shí)的流量值，同時(shí)也可以累計(jì)計(jì)算出當(dāng)日或當(dāng)月的混合氣體流量以及純瓦斯氣體的抽放量。但渦街流量計(jì)的環(huán)境相關(guān)參數(shù)較多，比如說現(xiàn)場(chǎng)的泵房里由于機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)而造成的輕微震動(dòng)可能會(huì)影響儀器的準(zhǔn)確性等，容易在使用現(xiàn)場(chǎng)被忽略而影響這個(gè)流量計(jì)性能的正確發(fā)揮。

    4　渦街流量計(jì)的影響因素

    經(jīng)過實(shí)踐，如下幾個(gè)方面對(duì)渦街流量計(jì)的使用都有影響，應(yīng)對(duì)這些問題進(jìn)行分析。

    （1）渦街流量計(jì)的測(cè)量范圍較大，一般10∶1，但測(cè)量下限受許多因素限制：Re>10000是渦街流量計(jì)工作的zui基本條件，除此之外，它還受旋渦產(chǎn)生響應(yīng)信號(hào)，旋渦頻率f也小，還會(huì)使信號(hào)處理發(fā)生困難。測(cè)量上限則傳感器的頻率響應(yīng)和電路的頻率限制，因此設(shè)計(jì)時(shí)一定要對(duì)流速范圍進(jìn)行計(jì)算、核算，根據(jù)流體的流速進(jìn)行選擇。使用現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件復(fù)雜，選型時(shí)除注意環(huán)境溫度、濕度、氣氛等條件外，還要考慮電磁干擾。

圖3　渦街流量計(jì)卡裝式安裝圖

圖4　抽放泵附近流量計(jì)安裝位置示意圖

    （2）振動(dòng)也是該類儀表的一大勁敵。因此在使用時(shí)應(yīng)注意避免機(jī)械振動(dòng)，尤其是管道的橫向振動(dòng)（垂直于管道軸線又垂直旋渦發(fā)生體軸線的振動(dòng)），這種影響在流量計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上是無法抑制和消除的。由于渦街信號(hào)對(duì)流場(chǎng)影響同樣敏感，故直管段長(zhǎng)度不能保證穩(wěn)定渦街所必要的流動(dòng)條件時(shí)，是不宜選用的。即使是抗振性較強(qiáng)的電容式、超聲波式，保證流體為充分發(fā)展的單向流，也是不可忽略的。

    （3）介質(zhì)溫度對(duì)渦街流量計(jì)的使用性能也有很大的影響。如壓力應(yīng)力式渦街流量計(jì)不能長(zhǎng)期使用在300°C狀態(tài)，因其絕緣阻抗會(huì)由常溫下的10-100MΩ急降至1-101Ω，輸出信號(hào)也變小，導(dǎo)致測(cè)量特性惡化。在測(cè)量系統(tǒng)中，傳感器與轉(zhuǎn)換器宜采用分離安裝方式，以免長(zhǎng)期高溫影響儀表可靠性和使用壽命。渦街流量計(jì)是一種比較新型的流量計(jì)，處于發(fā)展階段，還不很成熟，如果選擇不當(dāng)，性能也不能很好發(fā)揮。只有經(jīng)過合理選型、正確安裝后，還需要在使用過程中認(rèn)真定期維護(hù)，不斷積累經(jīng)驗(yàn)，提高對(duì)系統(tǒng)故障的預(yù)見性以及判斷、處理問題的能力，從而達(dá)到令人滿意的效果。

    5 結(jié)論

    渦街氣體流量計(jì)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)*，經(jīng)實(shí)驗(yàn)使用證明該儀器性能穩(wěn)定，測(cè)定數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，無阻力損失，是目前國(guó)內(nèi)瓦斯抽放流量測(cè)量理想儀器。

    （1）該流量計(jì)安裝簡(jiǎn)單，使用方便。

    （2）儀器阻力損失小，幾乎為0，對(duì)抽放泵的抽放能力沒有任何影響，這一點(diǎn)比孔板流量計(jì)有著很大的*性。

    （3）儀器測(cè)定準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)可靠，重復(fù)性誤差<±1.0%，達(dá)到計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。

    （4）儀器智能化程度高，采用單片機(jī)控制，直接顯示，并具有數(shù)據(jù)斷電保護(hù)功能供用戶使用。

    （5）由于渦街氣體流量計(jì)采用了計(jì)算機(jī)測(cè)試計(jì)算，因此減少了復(fù)雜的手工計(jì)算，提高了工作效率，實(shí)現(xiàn)了對(duì)內(nèi)的氣體流量及瓦斯?jié)舛鹊倪B續(xù)監(jiān)測(cè)。