CN1056691C - 双障碍涡流流量计 - Google Patents

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Abstract

一种涡流流量计(1)，包括：流体在其中流动的一内径不变的管部(2)；位于所述管部(2)的流体中用来产生振荡涡流的至少两障碍件，它们都呈细长形，其纵向和横向均与流体流向垂直，该上游障碍件(4)的横向截面呈梯形，而下游障碍件(6)的横向截面呈T形；以及检测所述涡流的振荡信号并从中导出流体流量或流速的装置(10，12，14)。

Description

双障碍涡流流量计
本发明涉及一种涡流流量计，它有至少两个用于产生振荡涡流并在低雷诺数下产生大致不变的Strouhal数的障碍件。
涡流流量计或流量计是众所周知的，它通常包括一管子，流量和/或流速待测量的流体即在此管子中流动，一障碍件置于该管子内的流体中，从而当流体碰到所述障碍件时就会产生涡流，该涡流振荡地从该障碍件分离。这种流量计还包括根据此振荡确定流量的装置。这些装置通常位于该障碍件上。这种流量计测量流量的原理如下：涡流的振荡频率与管子中的流体流速近似成正比，而上述装置可检测与所述涡流的振荡对应的信号。该信号比方说可以是压差。
涡流流量计的目的是精确、可靠地测量管子内流动的流体在很宽的雷诺数范围内的流速或流量。
为此，Strouhal数(振荡频率和障碍件直径的乘积与流体流速之比)必须不随雷诺数(流体流速和管子直径的乘积与流体的动力粘性系数之比)的变化而变化。
根据本领域的新近研究成果，设计出了障碍件的形状和尺寸最佳、从而在比方说约为260000的高雷诺数下可进行完全令人满意的测量的涡流流量计。
专利申请EP-A-0 408 355叙述了一种涡流流量计，它包括一供流体流动的管子，置于流体中的双障碍件和测量所述双障碍件所产生的涡流的分离频率的装置。
该双障碍件包括其上游表面鼓起、下游表面为平面的细长形第一障碍件或上游障碍件以及与远离第一障碍件、其上游表面为平面、下游表面凹入或为平面的第二障碍件或下游障碍件。
但在测量气流时，这种流量计不适用于测量雷诺数小于146000、特别是小于33000的情况。
在高雷诺数下，障碍件侧面处产生的剪切会分离而形成其流动呈紊流的涡流，其Strouhal数大致不变。
但在低雷诺数下，剪切层逐渐变为层流层，涡流形成得更快，涡流的振荡频率比流体速度下降得更慢，Strouhal数迅速升高，从而给流量测量带来误差。
本发明旨在克服这些缺点，为此提供了一种在流体的低雷诺数和高雷诺数下Strouhal数都能大致不变的涡流流量计，从而提高所述流量计在变动范围很大的雷诺数下的性能。
本发明涉及一种涡流流量计，它包括：
一供流体在其中流动、内径D不变的管件；
至少两个障碍件，即置于所述管件内的流体中，产生振荡主涡流的一上游障碍件和一下游障碍件，所述两障碍件都大致呈细长形，其纵向和横向都与流体流向垂直；以及
检测与所述涡流的振荡对应的信号并从中导出流量的装置，其特征在于，纵向尺寸h的该上游障碍件包括两个与流体流向垂直而相距t的较大表面，该上游表面的横向尺寸d大于该下游表面的横向尺寸；以及两个对称的较小侧面，这两个侧面与所述上游表面成β角，角β为30°-70°；该下游障碍件分成互相连接成T形的两部分，第一部分的纵向尺寸为h、横向尺寸为l，它包括：两个平行的较大表面，即一与所述上游障碍件的下游表面平行且相距d1的上游表面和一下游表面；以及两个较小表面；第二部分包括两个大小相同、与流体流向平行的较大表面以及两个大小相同、与流体流向垂直的较小表面。
当流体碰到上游障碍件时，所述上游障碍件的侧面两边交替生成一剪切层，该剪切层在低速下逐渐成为层流层。
在流体的低雷诺数下，本发明涡流流量计扰动该剪切层而使离开上游障碍件的该剪切层变得不稳定而卷成紊流旋涡，从而使Strouhal数大致保持不变。
按照本发明的其它特征：
比值d/t为4-8；
距离dl为d/4-3d/4；
宽度l为0.8d-1.2d；
比值d/D为0.15-0.3；
下游障碍件第一部分的两较大表面相距0.02d-0.08d；
该下游障碍件第一部分的两较小表面互相平行；
下游障碍件第二部分的两较小表面的横向尺寸为0.02d-0.08d；
下游障碍件第二部分的两较大表面的与流体流向平行的尺寸为0.8d-1.2d。
本发明涡流流量计最好还包括减少流体的边界层部分在碰到上游障碍件时产生的马蹄形稳定涡流所造成的紊流效应的装置。
减少由稳定涡流造成的紊流效应的该装置包括两底板，每一底板都有至少一个较大表面与上游障碍件和下游障碍件的纵向垂直，所述两底板在该管部上安装成最大纵向厚度e正对流体的边界层，所述上游障碍件和下游障碍件的两相对纵向端之一固定在底板的较大表面上而使底板的一部分位于上游障碍件的上游。
两底板的厚度e都为0.03D-0.05D。
每一底板的上游端离开上游障碍件的上游表面的距离为0.1d-0.4d。
按照本发明另一个非常有利的特征，该涡流流量计还包括把振荡主涡流与流体的边界层部分在碰到上游障碍件时产生的稳定的二次涡流分开的装置。
把振荡主涡流与二次涡流分开的装置由在下游障碍件的第二部分的相距不到h的两纵向端处的所述第二部分与内径为D的管部之间的两通道或自由空间构成。
每一自由空间的最大纵向尺寸为D/40-D/20。
内径为D的该管部的上游端最好与上游管部连接，该上游管部的内径向上游方向逐渐增大到D1，其内壁与流体流向所成角度连续变化，所述角度在所述上游管部的内径分别等于D和D1处为零；而内径为D的该管部的下游端最好与一下游管部连接，该下游管部的内壁以与流体流向成9°-20°的不变交角α发散，从而内径从D变为D1。
直径D为直径D1的60％-90％。
内径为D的该管部的长度为所述内径D的1.5-3倍。
上游障碍件的上游表面离开该上游管部的距离为0.5D1-D1。
按照本发明的其它特征：
检测与涡流的振荡对应的信号，从而从中导出流量的装置包括：一置于内径为D的管部中，在该下游障碍件的下游流体中的板，所述板的与流体流向垂直的纵向尺寸为D，它的由与流体流向平行的两较大侧面和上游以及下游较小表面界定的横截面呈长方形；在所述板中靠近所述上游表面的两平行的纵向主通道，每一主通道通过若干均匀分布的垂直副通道与所述两侧面之一相通；以及一与主通道和一电路连接的传感器，从而从检测到的信号中导出流量；
该板的上游表面的横向尺寸为上游障碍件的上游表面的横向尺寸的0.1-0.4倍；
该板的上游表面离开上游障碍件的上游表面的距离为3d-7d；
该两主通道的直径稍小于该板的上游表面的横向尺寸且所述两主通道沿流体流向错开；
该传感器为压力传感器或温度传感器。
本发明的其它特征和优点可从下述结合附图对非限制性实施例的说明中看出，附图中：
图1为本发明涡流式气体流量计第一实施例在一通过该管的对称轴线的平面中的剖面图；
图2为图1所示流量计在一通过该管的对称轴线、但与图1平面垂直的平面中的剖面图；
图3为图1和2所示涡流式气体流量计的板10的放大立体图；
图4为本发明第二实施例的一局部立体示意图，示出图1到图3所示涡流式气体流量计装有减小部分流体在碰到上游障碍件时生成的稳定涡流所造成的紊流效应的装置；
图5为图4所示本发明装置在一与图1平面平行的平面中的剖面图；
图6为图4和图5所示本发明装置在一与该管的对称轴线垂直的平面中的剖面图；
图7为本发明第三实施例在一通过该管的对称轴线的平面中的剖面图，示出图1至图3所示涡流式气体流量计装有把振荡涡流与稳定涡流分开的装置；
图8为本发明第四实施例的局部立体示意图，示出图1到图3所示涡流式流量计分别装有图1和图7所示装置；
图9为本发明第五实施例在一通过该管的对称轴线的平面中的剖面图，示出图1到图3所示涡流式气体流量计位于一异形管中；
图10为本发明第六实施例在一通过该管的对称轴线、但与图9平面垂直的平面中的剖面图，示出图9所示涡流式气体流量计分别装有图4和图7所示装置；
图11为一涡流式气体流量计在一通过管子的对称轴线的平面中的剖面图，该流量计包括一位于类似于图9的异形管中的障碍件；
图12为图11所示涡流式气体流量计的障碍件的立体示意图；
图13分别示出图11和12涡流式气体流量计的标准曲线图(A)和图10涡流式气体流量计的标准曲线图(B)；
图14分别示出图8涡流式气体流量计的标准曲线图(C)和图10涡流式气体流量计的标准曲线图(D)；
图15为根据检测到的压差确定气体流量的电路简图；
图16示出图15电路中的峰值检波器；
图17示出图16峰值检波器对一峰值进行峰值检波；
图18分别例示出图16峰值检波器的输入和输出信号。
如图1到图10所示，本发明涡流流量计1为一气体流量计。
这种流量计包括一管部2，流量待测的气体在该管部2中流动。
如图1和2所示，该管部2有一不变的内径D。
本发明涡流式气体流量计还包括两障碍件4和6，即置于管部2中的气流中的上游障碍件4和下游障碍件6。该气体流量计可包括两个以上的障碍件。
每一障碍件在与气流流向垂直的纵向上呈细长形，其横向或宽度方向也与气流流向垂直。
如图1所示，这两个障碍件的纵向横截面都大致不变。该横截面位于一与气流流向平行且与障碍件纵向垂直的平面中。
上游障碍件4的纵向尺寸或高度h等于D，它有两个都与气流流向垂直、相距t的较大表面4a和4b。较大表面4a称为上游表面，其横向尺寸为d；另一个较大表面4b称为下游表面，其横向尺寸小于d。
比值d/t最好为4-8，比方说等于5.5。
上游障碍件4还有两个对称于一与气流流向平行而与图1平面垂直的中间平面的较小侧面4c和4d。
表面4c和4d都与上游表面4a成角β。该角β为30°-70°，比方说取58°。
因此上游障碍件的横截面呈梯形，梯形的底边位于上游一侧。
非常重要的一点是，角β应尽可能小，以便一方面使上游障碍件的上游表面4a的边尽可能尖锐而交替生成气流剪切层，另一方面使得该边具有足够的机械强度，剪切层然后分离而形成振荡涡流。
若角β和距离t太大，则剪切层会附着在上游障碍件的侧面4c和4d上而阻碍剪切层的进一步生成从而阻碍涡流的生成。
另一方面，若β小于30°，则该障碍件太薄而其机械强度不足以承受气流。
下游障碍件6分为二部分。第一部分7的纵向尺寸h等于D，它有两个相同横向尺寸1的较大平行表面7a和7b。上游表面7a与上游障碍件4的下游表面4b平行且相距d1，从而两障碍件之间形成一过渡空间。
下游表面7b与上游表面7a相距0.02d-0.08d，比方说取0.06d。与气流流向平行的两较小平行侧面7c和7d使得该下游障碍件的第一部分的横截面呈长方形。
在未示出的本发明另一实施例中，此两较小侧面7c和7d与该上游表面7a成同一角度。该角度为30°-70°而使下游障碍件6的第一部分7呈梯形。此时下游障碍件6的第一部分与上游障碍件4的形状不必完全相同。
下游障碍件的第二部分8的纵向尺寸h等于D，它有两个大小相同、与气流流向平行的较大平行表面8a和8b。
下游障碍件6第二部分8的两个平行的较小表面8c与8d与流体流向垂直而使该下游障碍件的所述第二部分的横截面呈长方形。这两个较小表面8c和8d的横向尺寸为0.02d-0.08d，比方说取0.06d。
若该横向尺寸小于0.02d，则下游障碍件6的第二部分的刚性不足。较大表面8a和8b与气流流向平行的尺寸(长度)b为0.8-1.2d，比方说取d。
上述两部分7和8装配成使得下游障碍件6的横截面呈T形。
剪切层在上游障碍件4的一尖边处形成、分离后在下游障碍件6的下游卷绕成涡流。
在剪切层在上游障碍件4的侧面4c上形成的同时，气流从所述上游障碍件的另一侧即从侧面4d被吸入两障碍件4和6之间的过渡空间而在该涡流形成后从形成该剪切层的一边排出。
在下游障碍件6的第一部分7的紧下游正对所述下游障碍件的第二部分8的较大表面8a和8b处气流出现不稳定运动。
该运动相当于环流现象而破坏该剪切层的层流结构而使它不稳定而出现紊流。
因此至关重要的是精心选择两障碍件4和6之间的距离d1而使气流被吸入该过渡空间的现象与环流现象同时充分地出现。
因此两障碍件间的距离d1必须为d/4-3d/4。若该距离大于3d/4，则过渡空间会形成涡流，但涡流的形成会受下游障碍件6的干扰。
另一方面，若该距离小于d/4，则气流无法吸入过渡空间而发挥不出使用两个障碍件的优点，从而环流现象无从起作用。
同样，为了防止在较小侧面7c和7d处出现不必要的环流，下游障碍件6第一部分的表面7a和7b相距不得大于0.08d；而为了防止气流正对所述下游障碍件6第二部分8的较大表面8a和8b的不稳定运动的振幅的减小，下游障碍件6第二部分8的横向尺寸不得大于0.08d。
申请人发现，若上游处出现的扰动沿气流向这两个障碍物传播，则(如熟悉本技术领域的人员可想到的)该扰动不会增大，而是受环流现象的控制。
如图1到图3所示，该涡流或气体流量计还包括检测与涡流振荡对应的信号并从中导出气体流量的装置10。从检测到的涡流振荡信号中直接导出气体流速的方法是公知的。
这些装置包括一置于管部2的气流中的板10。该板10的与气流流向垂直的纵向尺寸D即是其高度。该板10包括两个与气流流向平行的较大平行侧面10a和10b以及两个与所述较大侧面垂直的较小平行表面10c和10d即上游表面10c和下游表面10d。如图1和3所示，这些表面使得板10的横截面沿高度方向呈不变的长方形。
该板10、特别是横向尺寸为0.1d-0.4d、比方说为0.2d的上游表面10c构成一具有两尖边的障碍件，从而使碰到所述上游表面10c(又称前导边缘)时气流分开，从而在所述板10的侧面10a和10b处交替造成紊流区。
这一紊流区的形成有助于提高由涡流提供的信息的质量。
该板的上游表面10c离开上游障碍件4的上游表面4a的距离最好为3d-7d，以便最佳地重现涡流振荡信号。
申请人意外发现，当涡流碰到板10时会产生一向上游传播的声波而干扰剪切层的结构，从而在低气流流速下增强涡流的紊乱性。
板10中在靠近上游表面10c处有两个平行的纵向主通道12和14。通道12和14从板10的顶部伸入板中的距离小于所述板的高度D。若干副通道12a、12b、12c和14a、14b、14c相间地分布在主通道12和14的纵向上而使所述两主通道分别垂直地通向板10的侧面10a和10b中的仅一个侧面。
例如，主通道12(14)用直径与主通道大致相同的三个副通道12a、12b、12c(14a、14b、14c)通向板10的仅一个侧面10a(10b)。这两个主通道12、14用一软管通向一温度传感器(未画出)，从而比方说根据涡流振荡在两通道中造成的压差检测气流的流量。该传感器也可以是压力传感器。
图15为一电子电路的简化方框图，该电子电路收到传感器201测到的压差信号后，接着通过放大装置202把一交流信号输入峰值检波器203，所述峰值检波器把该交流信号转换成脉冲信号，每一脉冲代表单位气流流量，然后用一计数器204对脉冲数计数而得出气体流量。
如图16所示，峰值检波器203比方说包括一带有电阻211和电容212的放大器210、一由并联反接的两个两个二极管构成的阈限装置213，一具有记忆功能的电容器214、一差动放大器215和电阻216、217。二极管220、221可以是一场效晶体管的结点。
放大器210、电阻211和电容212把该信号隔离在电容214的输入端。每一二极管有其自身的阈值，在导通时有一电压降。当点218处的信号的振幅上升到大于二极管220的阈值时，该二极管导通而点218处小于二极管220的电压降的电压存入电容器214。差动放大器215对点218的电压与电容214上的电压进行比较，若点218的电压大于电容214上的电压就输出一高信号。
当达到一峰值且信号振幅下降时，点218处的信号值与电容器214所存储的信号值之差下降到小于二极管220阈值从而二极管220切断。这使存储在电容214中的信号值得以不变。当点218处的信号的振幅下降到小于电容14所存储的信号值时，放大器215输出一低信号表示已出现峰值。当该信号值下降到存储在电容214中的信号值之下的数量等于二极管221的阈值时，二极管221导通而存储在电容214中的信号值下降，同时点218处的信号值的减少量等于二极管221的电压降。当达到并通过峰值时，二极管221再次切断，而当点218处的信号上升到大于存储在电容214中的信号值时放大器215示出状态变换。
图17示出点218处第一信号的电压变动(曲线250)和电容电压的变动(曲线251)。电容电压251最初等于信号电压减去二极管220的电压降Vd，此时放大器215输出一高信号。当在时刻t0达到一峰值而信号电压250下降到二极管220的阈值以下时，电容电压251固定。在时刻t1信号电压250下降到小于存储在电容中的电压251，此时放大器215输出一低信号。在时刻t2信号电压250与存储在电容中的电压的差大于二极管221的阈值，从而电容电压跟踪第一信号的电压。
图18示出图16电路的输出信号与一典型输入信号的比较，该输入信号可视作一高频正弦信号，一小振幅噪声叠加在大振幅上而使该信号振幅的很大变动。尽管有这些变动，输入信号在每一正峰值240或负峰值241处的方向改变仍表示输出信号方向的改变。计数器204可使用该输出信号给出脉冲数从而得出气体流量。从两脉冲间隔时间也很容易算出气体流速值。
主通道12、14的直径稍小于板120的宽度且所述两通道在气体流向上错开。两通道尽可能靠近所述板10的前面10c，以便尽可能高质量地重现信号的信息。
由于有粘力作用在气体上从而提高了信噪比，因此所述通道还可过滤掉信号中的所有噪声。
为了提高由板10和传感器重现的信息的质量，下游障碍件6第一部分7的上游表面7a的横向尺寸1必须为0.8d-1.2d，例如取d。
若该尺寸大于1.2d，板10几乎无法重现信号。另一方面，若该尺寸小于0.8d，板10重现的信号中误差很大。
在本发明另一实施例(未示出)中，检测涡流振荡信号并从中导出气体流量的装置包括两个位于两障碍件4、6下游、装在管部2的沿直径相对的壁上面的超声波传感器(在该实施例中无需使用上述板件)。传感器之一输出一超声波信号，该信号由涡流振荡调制后由另一个传感器接收并解调，从而导出振荡频率并从而得出气体的流速和流量。
申请人发现，用本发明涡流式气体流量计获得的振荡频率比只用一个障碍件的流量计低。
气流在紧靠上游障碍件4上游的速度型并非十分平直(见图4)，而是在靠近管部2周边处有一边界层。当图4左部所示气流碰到上游障碍件4时，所述上游障碍件4的两边交替形成一剪切层而在下游障碍件6的下游形成主涡流20。
但是，气流的边界层碰到障碍件4时形成一稳定的二次涡流21。该涡流形成在上游障碍件4的两纵向端4e和4f的每一端处而干扰主涡流20的形成。图4只示出一个涡流。
在图4到图6所示本发明第二实施例中，该涡流式气体流量计包括减小由二次涡流21造成的紊流效应的装置22、23、24、25。
这些装置采用两块平行底板22、24，每一底板有至少一个较大表面22a、24a与上游障碍件4和下游障碍件6的纵向垂直。每一底板22、24都呈具有一定厚度或纵向尺寸的圆盘形，其直径大于上游障碍件4的横向尺寸d(见图5)。这两个底板22、24装在内径为D的管部2的内壁上沿直径相对的两点上，从而底板22的较大表面之一22a面向所述管部内部并正对另一底板24的较大表面之一24a。
如图6所示，每一底板22、24的一部分位于管部2中，因此该底板上具有最大厚度e的部分伸进所述管部2内，而不是整个底板。该厚度e为0.03D-0.05D，以使这些底板的突起部正对气流的边界层。若厚度e小于0.03D，则由二次涡流21造成的紊流效应不能充分地减小。另一方面，若该厚度大于0.05D，气流就会受到底板22、24的突起部的阻挡而干扰主涡流的形成。
上游障碍件4和下游障碍件6的相对纵向端4e、4f、6e和6f之一固定在底板22、24的较大表面22a、24a上。
如图5所示，上游障碍件4安装在下部底板22上，使每一底板22、24在上游障碍件4的上游留出一部分23、25。
那么气流的边界层在碰到上游障碍件4前首先碰到下部底板22的底板部分23，其作用是削弱在碰到所述上游障碍件4时所形成的稳定二次涡流21。从而减小二次涡流21与主涡流20的相互影响。上部底板24处自然也出现同样的情况。
每一底板部分上游端23a、25a离开上游障碍件4的上游表面4a的距离为0.1d-0.4d，例如可取0.35d。若该距离大于0.4d，二次涡流21虽遭削弱，但会重新形成并大到足以干扰主涡流20。在此实施例中，下游障碍件6的第一部分7大致安装在该底板的与气流流向垂直的最大直径处。这意味着，下游障碍件6第二部分8的一部分长度突出到底板之外的下游处(见图5)。
申请人发现，在某些情况下最好不管二次涡流21的生成，而是在上游障碍件4的下游处用装置30、32把所述二次涡流与主涡流分开。
在图7所示本发明第三实施例中，这些装置即为管部2中沿直径相对的两通道30、32。通道30、32分别形成在下游障碍件6第二部分8的纵向端8e、8f与管部2之间。在这种优选结构中，下游障碍件6第二部分8的纵向尺寸或高度小于所述障碍件第一部分7的纵向尺寸h。
当气流边界层碰到上游障碍件4时，在所述上游障碍件的相对两纵向端4e和4f处形成强大的二次涡流沿主涡流方向传播。但是，所形成的主涡流造成一压力降把朝向下游障碍件6的第二部分8的二次涡流导向下部通道30和上部通道32，从而防止所述二次涡流与所述主涡流相互作用而干扰对信号的检测，通道30、32都大致呈长方形，其纵向尺寸为D/40-D/20，例如取D/36。
若通道30、32的纵向尺寸大于D/20，正对下游障碍件第二部分8的较大表面8a、8b处的环流现象就会受到阻碍而影响主涡流的生成。
另一方面，若该纵向尺寸小于D/40，则作用压力降对二次涡流的不利从而二次涡流与主涡流之间的相互作用太强。
在图8所示本发明第四实施例中，组合使用了结合图4到图6所述的减小由二次涡流21造成的紊流效应的装置22、24以及结合图7所述的把所述二次涡流21与主涡流20分离的装置30、32。
组合使用这些装置可大大降低二次涡流21与主涡流20之间的相互作用。
图9示出本发明第五实施例，在下面说明中使用与前面附图中相同的标号。该涡流流量计包括两障碍件4和6以及板10，板10中的纵向通道12、14以上面描述的方式连接到一传感器。
在该实施例中，其中放置两障碍件4、6和板10的直径为D的管部2的上游端与一上游管部40连接，该上游管部40的内径向着上游方向逐渐增大到主管的直径D1。该上游管部40的内壁40a与气流方向所成角度连续变化，所述角度在所述内壁与内径为D的管部2的交界处为零，在变动上游管部40的内径等于D1处该角度仍为零。
这种结构有一个极大的优点，即流量计上游的气流平稳地进入所述流量计而不会因产生紊流而受到干扰，从而气流在内径为D的管部2中加速，结果气流速度型更接近紊流状态，稳定性更佳。
因此，在低雷诺数下，在上游障碍件处形成的气流的剪切层的性质不再是层流。
如图9所示，上游管部40的内壁40a在一与气流方向平行的平面中的局部廓线从上游到下游为两个相接的圆弧，其凸起边背对而汇合到一点。请注意两圆弧的半径不必相同(尽管在图9中它们的半径相同)。该廓线也可以是正弦曲线的一部分，但本文中未示出这种实施例。
管部2的直径D减小到为主管直径D1的60％-90％。若D小于D1的60％，压头损耗太大，振荡频率太高，无法用简单装置检测。
另一方面，若D大于D1的90％，则气流加速得不够。
直径D最好为初始D1的70％-80％，例如取72％D1。内径为D的管部2的长度为所述内径D的1.5-3倍，例如取2D。这样可为振荡涡流的形成留有足够的余地，同时又使该气体流量计显得紧凑。
在内径为D的管部2中，上游障碍件4靠近上游管部40，以便在下游留出足够余地形成振荡涡流。更确切地说，上游障碍件4的上游表面4a离开上游管部40的距离为0.5D1-D1。
若该距离小于0.5D1，则达到上游障碍件4的气流的流速速度型尚不稳定。
相反，若该距离大于D1，气流的流速流型会生成一边界层而造成强大的二次涡流，从而干扰(主)振荡涡流，并且该气流流量计不紧凑。
内径为D的管部2与一内壁42a连接，该内壁与气流流向相交成一不变角α。两管部2和42在一尖棱43处相接。
下游管部42的内壁42a呈截头圆锥形而从尖棱43伸展到直径为D1的主管。
由于该管在其中生成振荡涡流的直管部2之后以一定角度急剧膨胀，因此气体流速减小，压力增大。
申请人发现，本发明的这一特征造成气流在尖棱43处及其下游处扩散，从而在管部2的出口处造成一气压垫垒。
该气压垫垒的作用是把气体涡流限制在管部2中，从而保持所述涡流的大小不变，从而Strouhal数保持不变，特别是在低雷诺数下Strouhal数保持不变，从而振荡频率直接与气流流速成正比。下游管部42的膨胀角必须精心选择，以使气压保持一适当的值。角α一般为9°-20°，最好为10°-15°，例如取10.78°。膨胀角大于20°会造成气体环流过强，从而引起的气流流速的变动会增大其紊流性，从而无法形成有效的气压势垒而保持涡流的大小不变。若膨胀角小于9°，则气压会沿着下游管部42逐渐增大而不足以控制涡流的大小。
本发明的第六实施例可非常有利地把图9所示涡流式气体流量计与图8所示流量计的特征结合起来，这就是图10所示的涡流式气体流量计，其中，上游障碍件4和下游障碍件6的相对纵向端4e、4f、6e和6f装到局部置入在直管部2中的两底板22、24上，从而减小气流碰到上游障碍件4时生成的稳定二次涡流所造成的紊流效应。
下游障碍件6的第二部分8的纵向尺寸小于第一部分7的纵向尺寸，从而在下游障碍件6的第二部分8与内径为D的管部2之间形成一下部通道30和一上部通道32，这些大致为长方形的通道使得主涡流与二次涡流相分离。
内径为D的管部2中在两障碍件的下游有一板10，板中有与一传感器(未画出)、比方说一温度传感器连接的纵向通道12、14，从而检测主涡流的振荡信号。
如前所述，该传感器接至图15和16所示电路，从而从检测到的压差中导出气体流量。
管部2的上游端接至一上游管部40，该管部40的形状做成可加速气流又不干扰气流；管部2的下游端接至一下游管部42，该管部42的内部形状呈截头圆锥形，该管部42以其尖棱43与所述管部2相接，该管部42的作用是形成一气压升而把主涡流限制在该直管部中。
这种气体流量计可测量雷诺数低达3700的气流的流量，其动态范围为30∶1，相对精度为1％。
雷诺数为直径为D1的该管中的气流的一项指标。
为了显示本发明涡流流量计的优点，申请人进行了试验，其结果在图13和14中示出。
第一项试验相继在两台涡流式气体流量计上进行，第一台由图11和12示出，第二台由图10示出。两管的直径D1都等于100mm。图11和12流量计与图10流量计的不同之处在于：它只有一个尺寸可变的障碍件产生振荡涡流，检测所述涡流的振荡信号并从中导出气体流量的装置即装在所述障碍件上。
除了上述不同之处，其它方面如异型管、障碍件在管中的位置、底板及其相对于所述管和所述障碍件的位置均与上述相同而不再赘述。
图11和图12中各部件用上述附图对应部件的标号加100表示。
涡流式气体流量计101有一其中设置有一障碍件104的管部102。该障碍件104有相互平行的上游平面104a和下游平面104b，所述上游平面104a比所述下游平面104b大。这两个平面都与气流流向垂直。
该障碍件104还有两个与上游平面104a相交成一不变角β的对称侧面104c和104d，从而所述障碍件的横截面呈梯形，其底边在上游一侧。
从图11和12中可见，检测涡流振荡信号并从中导出气体流量的装置包括障碍件104中靠近所述障碍件的侧面104c和104d的两平行的纵向主通道112和114。这两个通道112和114对称于一通过该管的对称轴线的中间平面并与该障碍件104的横截面垂直。上述装置还包括与所述主通道垂直的均匀分布在每个主通道102和104的纵向上的若干副通道，比方说每一主通道有两个副通道(112a、112b、114a、114b)。这些副通道使主通道通到障碍件104的侧面104c和104d。副通道的直径与主通道大致相同。一主通道112和114与一传感器(未画出)、比方说一温度传感器相连，从而检测所述主通道中由涡流的分离引起的气流的压差。
图15和16所示电路从检测到的上述压差导出气流流量。
障碍件104装在两圆形底板122和124上，图11和图12中只示出下部底板122。
障碍件104的上游平面104a离开底板122(124)的位于所述上游平面104a上游的部分123(125)的上游端123a(125a)的距离为0.35d。障碍件104两侧面104c和104d与所述障碍件的上游平面104a之间的交角β为4°。
对这两台流量计进行试验的目的是：对流量为20m3/h-600m3/h(雷诺数3700-111900)的流体，确定所述两台流量计所检测的流量相对于一标准流量计的相对误差。
图13示出这两台流量计的随雷诺数变化的相对误差百分比，曲线A和B分别为图11和图10的流量计的标准曲线。
显然可看出，图10气体流量计(双障碍件)能可靠地测量低雷诺数(低达3700)的气体的流量，而图11流量计(单障碍件)无法可靠地测量雷诺数低于16500的气体的流量。
图14示出另一项同样的试验的结果，它在于比较本发明的两种气体流量计，即图8所示流量计与图10所示流量计。
图8和图10流量计的标准曲线C和D是令人满意的，所述两种流量计具有良好的线性特性。
但申请人发现，若雷诺数低于18600，影响图8流量计的噪声对于涡流振荡信号来说太高。
另一方面，把双障碍件置于异型管中对于低于18600的雷诺数的流体可大大提高信噪比，从而使用简单电子装置便能从检测到的信号中导出气体流量。
因此结合图10所述的本发明实施例具有极大的优点，因为即使对于极低的雷诺数(3700左右)的情况，它也能产生非常强且稳定的信号，从而总可以测出气流流量。

Claims (25)

1.一种涡流流量计(1)，包括：
流体在其中流动、具有不变内径D的一管部(2)；
置于所述管部(2)的流体中、用来产生振荡的流体主涡流(20)的至少两个障碍件，即一上游障碍件(4)和一下游障碍件(6)，所述两障碍件(4，6)都呈细长形，其纵向和横向与流体流向垂直；以及
检测和所述涡流的振荡对应的信号并从中导出流体流量的装置(10，12，14，201-204，210-218，220，221)，其特征在于，纵向尺寸为h的上游障碍件(4)包括：与流体流向垂直、相距t的较大表面(4a，4b)，上游表面(4a)横向尺寸为d大于下游表面(4b)的横向尺寸；以及与所述上游表面都相交成角β的对称的两较小侧面(4c，4d)，角β的范围为30°～70°；该下游的障碍件(6)分为连接成T形的两部分(7，8)，第一部分(7)的纵向尺寸为h、横向尺寸为1，它包括两平行的较大表面(7a，7b)即与所述上游障碍件(4)的下游表面(4b)平行且相距为d1的上游表面(7a)和下游表面(7b)，以及两较小表面(7c，7d)，第二部分(8)包括尺寸相同、与流体流向平行的两较大表面(8a，8b)以及尺寸相同、与流体流向垂直的两平行的较小表面(8c，8d)。
2.按权利要求1所述的涡流流量计，其特征在于，比值d/t为4-8。
3.按权利要求1所述的涡流流量计，其特征在于，距离d1为d/4-3d/4。
4.按权利要求1所述的涡流流量计，其特征在于，宽度1为0.8d-1.2d。
5.按权利要求1所述的涡流流量计，其特征在于，比值d/D为0.15-0.3。
6.按权利要求1所述的涡流流量计，其特征在于，下游障碍件(6)的第一部分(7)的两较大表面(7a，7b)相距0.02d-0.08d。
7.按权利要求1所述的涡流流量计，其特征在于，下游障碍件(6)的第一部分(7)的两较小表面(7c，7d)相互平行。
8.按权利要求1所述的涡流流量计，其特征在于，下游障碍件(6)的第二部分(8)的两较小表面(8c，8d)的横向尺寸为0.02d-0.08d。
9.按权利要求1所述的涡流流量计，其特征在于，下游障碍件(6)的第二部分(8)的两较大表面(8a，8b)与流体流向平行的尺寸为0.8d-1.2d。
10.按权利要求1所述的涡流流量计，其特征在于，它还包括用于减小流体的边界层部分在碰到上游障碍件(4)时产生的稳定涡流(21)所造成的紊流效应的装置(22，23，24，25)。
11.按权利要求10所述的涡流流量计，其特征在于，用于减小由稳定涡流(21)造成的紊流效应的该装置包括两底板(22，24)，每一底板上有至少一个较大表面与上游障碍件(4)和下游障碍件(6)的纵向垂直；所述两底板在该管部(2)上安装成其最大纵向尺寸或厚度e正对流体的边界层；所述上游障碍件(4)和下游障碍件(6)的相对纵向端(4e，4f，6e，6f)之一固定在底板(22，24)的较大表面(22a，24a)上，固定方法是，使每一底板包括一位于该上游障碍件(4)的上游处的部分(23，25)。
12.按权利要求11所述的涡流流量计，其特征在于，每一底板(22，24)的最大厚度e为0.03D-0.05D。
13.按权利要求11所述的涡流流量计，其特征在于，每一底板部分(23，25)的上游端(23a，25a)与上游障碍件(4)的上游表面(4a)相距0.1d-0.4d。
14.按权利要求1或11所述的涡流流量计，其特征在于，它还包括把主振荡涡流(20)与流体的边界层部分在碰到上游障碍件(4)时生成的稳定二次涡流分开的装置(30，32)，把振荡主涡流(20)和二次涡流(21)分开的该装置由下游障碍件(6)的第二部分(8)的两相距不到h的相对纵向端(8e，8f)处的部分与内径为D的管部(2)之间的两通道(30，32)构成。
15.按权利要求14所述的涡流流量计，其特征在于，两通道(30，32)的最大纵向尺寸为D/40-D/20。
16.按权利要求1或11所述的涡流流量计，其特征在于，内径为D的管部(2)的上游端与一上游管部(40)连接，该管部(40)的内径沿着上游方向逐渐增大到D1，其内壁(40a)与流体流向的夹角连续变化，所述夹角在该管子中所述上游管部的直径等于D和D1的部位均为零，而管部(2)的下游端与一下游管部(42)连接，该管部(40)的内壁(42a)以与流体流向成9°-20°的不变角度α急剧发散，从而内径从D变为直径D1。
17.按权利要求16所述的涡流流量计，其特征在于，直径D为直径D1的60％-90％。
18.按权利要求16所述的涡流流量计，其特征在于，内径为D的管部(2)的长度为内径D的1.5-3倍。
19.按权利要求1或16所述的涡流流量计，其特征在于，上游障碍件(4)的上游表面(4a)与上游管部(40)相距0.5D1到D1。
20.按权利要求1所述的涡流流量计，其特征在于，检测涡流振荡信号并从中导出流体流量的装置包括：一置于内径为D的管部(2)中、在下游障碍件(6)的下游处的流体中的板(10)，所述板的纵向尺寸D与流体流向垂直，它的与流体流向平行的较大侧面(10a，10b)和较小上游和下游表面(10c，10d)界定一不变的长方形横截面；所述板在靠近所述上游表面(10c)处有两个平行的纵向主通道(12，14)，每一主通道由若干均匀分布的垂直副通道(12a，12b，12c，14a，14b，14c)只连接到所述侧面(10a，10b)之一；一传感器与所述两个主通道以及一电路(201-204，210-218，220，221)连接以从检测到的信号中导出流体流量。
21.按权利要求20所述的涡流流量计，其特征在于，板(10)的上游表面(10c)的横向尺寸为上游障碍件(4)的上游表面(4a)的横向尺寸d的0.1-0.4倍。
22.按权利要求20所述的涡流流量计，其特征在于，板(10)的上游表面(10c)与上游障碍件(4)的上游表面(4a)相距3d-7d。
23.按权利要求20或21所述的涡流流量计，其特征在于，主通道(12，14)的直径稍小于板(10)的上游表面(10c)的横向尺寸，所述两主通道沿流体流向错开。
24.按权利要求20所述的涡流流量计，其特征在于，该传感器为一压力传感器。
25.按权利要求20.所述的涡流流量计，其特征在于，该传感器为一温度传感器。
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