风洞中涡街流量传感器压电探头位置的试验分析

涡街流量传感器是一种流体振动式传感器，根据钝体绕流原理研制而成．在流体中放置一个阻挡体作为旋涡发生体，当流体流过旋涡发生体时会在发生体下游两侧交替产生有规则的旋涡，这一现象称为卡门涡街现象．由于流体的流速与旋涡脱落频率有对应关系，因此通过检测旋涡产生的频率就可以获得流体的流速，进而获得流量．由于涡街流量传感器无可动部件，可靠性高，测量不受流体物性的影响，在高温高压等较恶劣的工业现场也能正常工作，所以广泛应用于工业现场液体、气体以及蒸汽的测量，一直占有较高的市场份额．

由于涡街流量传感器近 30 年才迅速发展，还有许多不完善的地方，比如在测小流量时，涡街信号微弱，而现场的干扰很强，会把涡街信号淹没掉，因此其量程只能达到 10∶1．针对这一问题，许多学者对涡街流量传感器进行了较为全面的研究，如旋涡发生体形状[1-3]、涡街检测方式[4-5]以及信号处理方法[6-9]，不仅精确地测出流量而且扩展了测量下限．可见，要想提高传感器的测量品质，需要对各个环节进行分析研究，如果每一个环节都能达到最优，则设计出的涡街流量传感器就能达到全局最优．

笔者着眼于涡街流量传感器的设计部分．工业现场常用的传感器采用梯形柱旋涡发生体，压电应力式检测信号，其结构尺寸都有经验值，至今各厂家都在延用．但是从产品中发现，不同口径的涡街流量传感器其压电探头与发生体之间的距离不同，而且有些大口径的压电探头是放在发生体内．也有学者研究表明，利用差压传感器测量发生体下游某一位置的管壁差压或者发生体上下游之间的差压信号[10]，同样可以得到涡街频率．这些都说明，旋涡检测位置对涡街信号测量有直接影响．针对工业现场常用的压电式涡街流量传感器，如果调整探头位置能够检测出更强的信号，则测量下限就可以降低．因此，笔者由涡街现象的二维特性入手，通过在风洞中试验，讨论涡街流量传感器中发生体与压电探头之间的最佳距离，研究压电探头在旋涡发生体下游不同位置时对涡街信号检测的影响，给出在近似二维流场中的一些现象及规律，为涡街流量传感器的设计提供一些依据．

1 试验装置及试验步骤

试验在天津大学流体力学实验室三元回流式风洞中进行，对 3 种宽度的旋涡发生体下游不同位置的速度、压力信号进行采集，分析涡街流场特性．风洞为木质结构，轴线离地面高度 1.30,m，截面除风扇段为圆形外，其他均为八角形．试验段截面尺寸高 0.60,m，宽 0.80,m，四角各切去一个 100,mm×100,mm 的切角，试验段长度 1.50,m；收缩段的收缩比为 6.75；试验段气流速度采用变频调速控制，40,m/s 以下连续可调，湍流度小于 0.2%．流场中不同位置速度的测量采用 IFA300 恒温热线风速仪，该设备从热线标定到数据采集到数据处理都通过 IFA300Thermalpro 软件实现．对应压力的测量利用涡街流量传感器中现有的压电探头．旋涡发生体是按照 3种口径的涡街流量传感器（DN50，DN80 和 DN100）中发生体尺寸用有机玻璃制成，唯一区别是发生体柱长按照风洞尺寸进行了相应加长．整个试验装置结构如图 1 所示.