一、流场阶段：漩涡是怎么产生的

前提条件：雷诺数 Re 达到有效工作区间

液体：Re≈2×10³～7×10⁵；气体 / 蒸汽：Re≈1×10⁴～1×10⁶

雷诺数太低，流体粘性占主导，不产生规则漩涡，小流量无信号；

雷诺数过高，流场彻底紊乱，漩涡脱落不再稳定，K 系数漂移。

1. 流体撞击发生体，两侧形成边界层；

2. 边界层失稳，一侧先卷起漩涡，脱离发生体；随后另一侧反向漩涡脱落；

3. 两侧漩涡交替脱落，形成两列错开的涡街（卡门涡街）；

4. 漩涡向下游流动，每一次脱落，会对发生体施加交变作用力。

• f：漩涡脱落频率 Hz

• St：斯特劳哈尔数，涡街最重要无量纲数；设计优良发生体，在宽雷诺数区间 St 近似常数

• v：发生体处局部流速

• d：发生体特征宽度

本质：频率和体积流量线性相关，这是涡街测量的理论基础。

注意：St 不是绝对不变，流场畸变、结垢改变发生体外形，St 直接偏移，测量就产生系统误差。

流场侧的干扰来源：直管段不足、弯头、阀门、焊瘤、垫片内伸，会带来偏流、旋流，破坏漩涡交替脱落规律，St 数漂移，误差变大。

二、力‑机械激励阶段：流体漩涡转化为物理振动

1. 发生体一体检测（压电元件埋在漩涡发生体内部）

   交变升力直接作用在发生体，发生体产生微小高频弹性振动，压电晶体跟随振动。

2. 分离式探杆检测（探头插入流道，不做发生体）

   漩涡冲击探杆，探杆受交变力振动。

关键点：这个振动是流体漩涡带来的有效信号；

但管道振动、泵振动、水锤冲击、两相气泡冲击，同样会给探头 / 发生体施加交变力，这就是振动告警、虚流量的物理根源。

压电无法区分：“漩涡产生的力” 和 “外部机械振动的力”，只能靠后端电路算法做区分。

三、机电转换：压电传感器输出原始电荷信号

1. 漩涡交变力 → 晶体周期性挤压 / 释放；

2. 输出微弱电荷信号：pC 级别，信号幅值随流速增大而升高；

3. 小流量时：漩涡力很小，电荷信号极弱，很容易被噪声淹没，这就是涡街小流量下限差的根本原因。

硬件层面风险点：

①高温工况压电晶体性能衰减；②长期强振动造成晶体疲劳；③引线松动，电荷信号丢失。

这里输出的不是标准方波，是微弱、带大量噪声的交变电荷波形，不能直接拿来计数。

四、信号调理链路：电荷→电压，滤波放大

• 高通滤波：滤除低频管道振动、低频水锤噪声；

• 低通滤波：滤除高频电气干扰、流体紊流噪声。

硬件滤波是一把双刃剑：

滤波时间设置大，抗振动变好，但会牺牲小流量响应速度；滤波太小，噪声大量进入，虚流量。

五、数字算法处理（智能涡街核心，很多人忽略）

1. A/D 采样采集波形；

2. 数字滤波：进一步压制振动噪声；

3. 频率判别：区分 “漩涡真实频率” 和外部振动频率；

4. 振动特征监测：统计信号频谱、幅值，识别异常振动，触发振动告警；

5. 剔除异常脉冲：把振动、水锤带来的虚假脉冲过滤；

6. 根据 St 数、管道截面积，计算瞬时体积流量；

7. 累积流量计算；

8. 输出：脉冲输出 / 4‑20mA / HART / RS485。

重要真相：

老式模拟涡街没有频谱判别，只要有交变振动就计数，振动大就疯狂跑数；

新一代智能涡街增加频谱分析，对比漩涡理论频率区间，识别不属于流量的振动信号，做抑制、告警，但不能做到 100% 完全隔离超大振动。

六、介质补偿：气体、蒸汽为什么需要温压补偿

• 液体：密度随压力变化很小，工况体积≈标准体积，一般不需要补偿；

• 气体、蒸汽：压力温度变化，介质密度剧烈变化。涡街测的是工况下体积，要得到标方流量 / 质量流量，必须外接温度、压力做补偿运算。

涡街本身不输出质量流量，质量流量 = 工况体积流量 × 工况密度。

七、全链路各环节故障映射（对应现场现象）

八、核心技术总结（用于选型、故障分析）

1. 涡街不是直接测流速，是检测漩涡脱落带来的交变力；压电分不清流体力和机械振动力，抗振是算法妥协的结果，不是硬件天生免疫振动。

2. 小流量下限受双重约束：雷诺数不足不产生漩涡；漩涡作用力太小，压电信号被噪声淹没。

3. St 数是涡街的灵魂，只要发生体外形、流场被改变，St 改变，测量就产生系统误差，和传感器好坏无关。

4. 涡街没有转动部件，不会机械磨损；但发生体结垢、变形，会改变流场参数，带来精度衰减。