工作原理與結構
1. 工作原理
在流體中設置旋渦發(fā)生體（阻流體），從旋渦發(fā)生體兩側交替地產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦，這種旋渦稱為卡曼渦街，如圖1所示。旋渦列在旋渦發(fā)生體下游非對稱地排列。設旋渦的發(fā)生頻率為f，被測介質來流的平均速度為U，旋渦發(fā)生體迎面寬度為d，表體通徑為D，根據(jù)卡曼渦街原理，有如下關系式
f=SrU1/d=SrU/md ?。?）
式中 U1--旋渦發(fā)生體兩側平均流速，m/s；
Sr--斯特勞哈爾數(shù)；
m--旋渦發(fā)生體兩側弓形面積與管道橫截面面積之比
圖1 卡曼渦街
管道內體積流量qv為
qv=πD2U/4=πD2mdf/4Sr (2)
K=f/qv=[πD2md/4Sr]-1 (3)
式中 K--流量計的儀表系數(shù)，脈沖數(shù)/m3（P/m3）。
K除與旋渦發(fā)生體、管道的幾何尺寸有關外，還與斯特勞哈爾數(shù)有關。斯特勞哈爾數(shù)為無量綱參數(shù)，它與旋渦發(fā)生體形狀及雷諾數(shù)有關，圖2所示為圓柱狀旋渦發(fā)生體的斯特勞哈爾數(shù)與管道雷諾數(shù)的關系圖。由圖可見，在ReD=2×104～7×106范圍內，Sr可視為常數(shù)，這是儀表正常工作范圍。當測量氣體流量時，VSF的流量計算式為
(4)
圖2 斯特勞哈爾數(shù)與雷諾數(shù)關系曲線
式中 qVn，qV--分別為標準狀態(tài)下（0oC或20oC，101.325kPa）和工況下的體積流量，m3/h；
Pn，P--分別為標準狀態(tài)下和工況下的壓力，Pa；
Tn，T--分別為標準狀態(tài)下和工況下的熱力學溫度，K；
Zn，Z--分別為標準狀態(tài)下和工況下氣體壓縮系數(shù)。
由上式可見，VSF輸出的脈沖頻率信號不受流體物性和組分變化的影響，即儀表系數(shù)在一定雷諾數(shù)范圍內僅與旋渦發(fā)生體及管道的形狀尺寸等有關。但是作為流量計在物料平衡及能源計量中需檢測質量流量，這時流量計的輸出信號應同時監(jiān)測體積流量和流體密度，流體物性和組分對流量計量還是有直接影響的。
2. 結構
VSF由傳感器和轉換器兩部分組成，如圖3所示。傳感器包括旋渦發(fā)生體（阻流體）、檢測元件、儀表表體等；轉換器包括前置放大器、濾波整形電路、D／A轉換電路、輸出接口電路、端子、支架和防護罩等。近年來智能式流量計還把微處理器、顯示通訊及其他功能模塊亦裝在轉換器內。
圖3 渦街流量計
（1）旋渦發(fā)生體
旋渦發(fā)生體是檢測器的主要部件，它與儀表的流量特性（儀表系數(shù)、線性度、范圍度等）和阻力特性（壓力損失）密切相關，對它的要求如下。
1） 能控制旋渦在旋渦發(fā)生體軸線方向上同步分離；
2） 在較寬的雷諾數(shù)范圍內，有穩(wěn)定的旋渦分離點，保持恒定的斯特勞哈爾數(shù)；
3） 能產(chǎn)生強烈的渦街，信號的信噪比高；
4） 形狀和結構簡單，便于加工和幾何參數(shù)標準化，以及各種檢測元件的安裝和組合；
5） 材質應滿足流體性質的要求，耐腐蝕，耐磨蝕，耐溫度變化；
6） 固有頻率在渦街信號的頻帶外。
已經(jīng)開發(fā)出形狀繁多的旋渦發(fā)生體，它可分為單旋渦發(fā)生體和多旋渦發(fā)生體兩類，如圖4所示。單旋渦發(fā)生體的基本形有圓柱、矩形柱和三角柱，其他形狀皆為這些基本形的變形。三角柱形旋渦發(fā)生體是應用zui廣泛的一種，如圖5所示。圖中D為儀表口徑。為提高渦街強度和穩(wěn)定性，可采用多旋渦發(fā)生體，不過它的應用并不普遍。
（a）單旋渦發(fā)生體
（b）雙、多旋渦發(fā)生體
圖4 旋渦發(fā)生體
圖5 三角柱旋渦發(fā)生體
d/D=0.2～0.3;c/D=0.1～0.2;
b/d=1～1.5;θ=15o～65o
⑵ 檢測元件
流量計檢測旋渦信號有5種方式。
1） 用設置在旋渦發(fā)生體內的檢測元件直接檢測發(fā)生體兩側差壓；
2） 旋渦發(fā)生體上開設導壓孔，在導壓孔中安裝檢測元件檢測發(fā)生體兩側差壓；
3） 檢測旋渦發(fā)生體周圍交變環(huán)流；
4） 檢測旋渦發(fā)生體背面交變差壓；
5） 檢測尾流中旋渦列。
根據(jù)這5種檢測方式，采用不同的檢測技術（熱敏、超聲、應力、應變、電容、電磁、光電、光纖等）可以構成不同類型的VSF，如表1所示。
表1 旋渦發(fā)生體和檢測方式一覽表
序號 | 旋渦發(fā)生體截面形狀 | 傳感器 | 序號 | 旋渦發(fā)生體截面形狀 | 傳感器 | ||
檢測方式 | 檢測元件 | 檢測方式 | 檢測元件 | ||||
1 |
| 方式 5) | 超聲波束 | 9 |
| 方式 2) | 反射鏡/光電元件 |
2 |
| 方式 2) | 懸臂梁/電容，懸臂梁/壓電片 | 10 |
| 方式 5) | 膜片/壓電元件 |
11 |
| 方式 3) | 扭力管/壓電元件 | ||||
3 |
| 方式 1) | 壓電元件 | 12 |
| 方式 4) | 扭力管/壓電元件 |
4 |
| 方式 1) | 膜片/電容 | 13 |
| 方式 4) | 振動片/光纖傳感器 |
14 |
| 方式 5) | 超聲波束 | ||||
5 |
| 方式 1) | 膜片/靜態(tài)電容 | 15 |
| 方式 2) | 應變元件 |
6 |
| 方式 1) | 磁致伸縮元件 | 16 |
| 方式 1) | 壓電元件 |
7 |
| 方式 1) | 膜片/壓電元件 | 17 |
| 方式 4) | 應變元件 |
8 |
| 方式 2) | 熱敏元件 | 18 |
| 方式 5) | 超聲波束 |
⑶ 轉換器
檢測元件把渦街信號轉換成電信號，該信號既微弱又含有不同成分的噪聲，必須進行放大、濾波、整形等處理才能得出與流量成比例的脈沖信號。
不同檢測方式應配備不同特性的前置放大器，如表2所列。
表2 檢測方式與前置放大器
檢測方法 | 熱敏式 | 超聲式 | 應變式 | 應力式 | 電容式 | 光電式 | 電磁式 |
前置放大器 | 恒流放大器 | 選頻放大器 | 恒流放大器 | 電荷放大器 | 調諧-振動放大器 | 光電放大器 | 低頻放大器 |
轉換器原理框圖如圖6所示。
圖6 轉換器原理框圖
⑷ 儀表表體
儀表表體可分為夾持型和法蘭型，如圖7所示。
圖7 儀表表體
三、 優(yōu)點和局限性
1. 優(yōu)點
VSF結構簡單牢固，安裝維護方便（與節(jié)流式差壓流量計相比較，無需導壓管和三閥組等，減少泄漏、堵塞和凍結等）。
適用流體種類多，如液體、氣體、蒸氣和部分混相流體。
度教高（與差壓式，浮子式流量計比較），一般為測量值的（ ±1%～±2%）R。
范圍寬度，可達10：1或20：1。
壓損?。s為孔板流量計1/4～1/2）。
輸出與流量成正比的脈沖信號，適用于總量計量，無零點漂移；
在一定雷諾數(shù)范圍內，輸出頻率信號不受流體物性（密度，粘度）和組分的影響，即儀表系數(shù)僅與旋渦發(fā)生體及管道的形狀尺寸有關，只需在一種典型介質中校驗而適用于各種介質，如圖8所示。
圖8 不同測量介質的斯特勞哈爾數(shù)
可根據(jù)測量對象選擇相應的檢測方式，儀表的適應性強。
VSF在各種流量計中是一種較有可能成為僅需干式校驗的流量計。
2. 局限性
VSF不適用于低雷諾數(shù)測量（ReD≥2×104），故在高粘度、低流速、小口徑情況下應用受到限制。
旋渦分離的穩(wěn)定性受流速分布畸變及旋轉流的影響，應根據(jù)上游側不同形式的阻流件配置足夠長的直管段或裝設流動調整器（整流器），一般可借鑒節(jié)流式差壓流量計的直管段長度要求安裝。
力敏檢測法VSF對管道機械振動較敏感，不宜用于強振動場所。
與渦輪流量計相比儀表系數(shù)較低，分辨率低，口徑愈大愈低，一般滿管式流量計用于
DN300以下。
儀表在脈動流、混相流中尚欠缺理論研究和實踐經(jīng)驗。
四、分類與凡種類型產(chǎn)品簡介
1. 分類
渦街流量計可按下述原則分類。
按傳感器連接方式分為法蘭型和夾裝型。
按檢測方式分為熱敏式、應力式、電容式、應變式、超聲式、振動體式、光電式和光纖式等。
按用途分為普通型、防爆型、高溫型、耐腐型、低溫型、插入式和汽車型等。
按傳感器與轉換器組成分為一體型和分離型。
按測量原理分為體積流量計、質量流量計。
2. 幾種類型產(chǎn)品簡介
各類渦街流量計性能比較如表3所示。
表3 不同檢測方法渦街流量計比較
名 稱 | 檢測變化量 | 檢測技術 | 口徑/mm | 介質溫度/oC | 范圍度 | 雷諾數(shù)范圍 | 簡單程度 | 牢固程度 | 靈敏度 | 耐熱性 | 耐振性 | 耐污能力 | 應用范圍 | ||
檢測原理 | 檢測元件 | ||||||||||||||
熱敏式渦街流量計 | 流 | 加熱體冷卻 | 熱敏元件 | 25～200 | -196～+205 | 15～30 | 104～106 | △ | √ | √ | × | √ | × | 清潔、無腐蝕液體、氣體 | |
超聲式渦街流量計 | 聲束被調制 | * | 25～150 | -15～+175 | 30 | 3×103～106 | × | △ | √ | △ | √ | √ | 小口徑液體、氣體 | ||
電容式渦街流量計 | 壓 | 壓差作用 | 壓差檢測 | 膜片/電容 | 15～300 | -200～+400 | 30 | 104～106 | × | △ | √ | √ | △ | △ | 液體、氣體、蒸汽 |
應力式渦街流量計 | 壓差檢測 | 膜片/壓電片 | 50～200 | -18～+205 | 16 | 104～106 | × | △ | √ | √ | × | √ | 液體、氣體、蒸汽 | ||
振動體式渦街流量計 | 壓差檢測 | 圓盤/電磁 | 50～200 | -268～-48 | 10～30 | 5×103～106 | √ | × | △ | √ | × | × | 極低溫液態(tài)氣體 | ||
棱球/電磁 | -40～+427 | 高溫蒸汽 | |||||||||||||
光電式渦街流量計 | 壓差檢測 | 反射鏡/光電元件 | 40～80 | -10～+50 | 40 | 3×103～105 | √ | △ | √ | × | × | × | 低壓常溫氣體 | ||
應變式渦街流量計 | 升力作用 | 應變檢測 | 應變元件 | 50～150 | -40～120 | 15 | 104～3×106 | △ | √ | × | △ | △ | √ | 液體 | |
應力式渦街流量計 | 應力檢測 | 壓電元件 | 15～300 | -40～+400 | 10～20 | 104～7×106 | √ | √ | √ | √ | × | √ | 液體、氣體、蒸汽 | ||
注∶√-較好、△-一般、×-差。
以下簡介幾種類型VSF。
?、?應力式VSF
如圖9所示，應力式VSF應用檢測方式1）～4）（見二、2.），它把檢測元件受到的升力以應力形式作用在壓電晶體元件上，轉換成交變的電荷信號，經(jīng)電荷放大、濾波、整形后得到旋渦頻率信號。壓電傳感器響應快、信號強、工藝性好、制造成本低、與測量介質不接觸、可靠性高。儀表的工作溫度范圍寬，現(xiàn)場適應性強，可靠性較高，它是目前VSF的主要產(chǎn)品類型。
圖9 應力式渦街流量計
1-表頭組；2-三角柱；3-表體；4-聯(lián)軸；5-壓板；6-探頭；7-密封墊；8-接頭；
9-密封墊圈；10-螺栓；11-銷；12-銘牌；13-圓螺母；14-支架；15-螺栓
但是，它對管道振動較敏感，是其主要缺點，幾年來，生產(chǎn)廠家做了大量工作以彌補此缺陷：如對儀表本身結構，檢測位置以及信號處理等采取措施；在管道安裝減震方式下功夫；向用戶提供選點咨詢指導等，已經(jīng)取得一定的進展，當然如測量對象有較強的振動還是不用為好。
（2）電容式VSF
電容式VSF應用檢測方式1）、2），安裝在渦街流量傳感器中的電容檢測元件相當于一個懸臂梁（見圖10）。當旋渦產(chǎn)生時，在兩側形成微小的壓差，使振動體繞支點產(chǎn)生微小變形，從而導致一個電容間隙減少（電容量增大），另一個電容間隙增大（電容量下降），通過差分電路檢測電容差值。當管道有振動時，不管振動是何方向，由振動產(chǎn)生的慣性力同時作用在振動體及電極上，使振動體與電極都在同方向上產(chǎn)生變形，由于設計時保證了振動體與電極的幾何結構與尺寸相匹配，使它們的變形量一致，差動信號為零。這就是電容檢測元件耐振性能好的原因。雖然由于制造工藝的誤差，不可能*消除振動的影響，但大大提高了耐振性能。試驗證明，其耐振性能超過1g。電容式另一個優(yōu)點是可耐高溫達400oC，溫度對電容檢測元件的影響有兩方面：溫度使電容間介電常數(shù)發(fā)生變化和電極的幾何尺寸隨溫度而變，這些導致電容值發(fā)生變化，另一方面由于溫度升高金屬熱電子發(fā)射造成電容的漏電流增大。試驗證明，當溫度升高至400oC時無論電容值變化或漏電流增大都未影響儀表的基本性能。
圖10 電容式檢測元件
⑶ 熱敏式VSF
熱敏式VSF采用檢測方式2）、3），如圖11所示。旋渦分離引起局部流速變化，改變熱敏電阻阻值，恒流電路把橋路電阻變化轉換為交變電壓信號。這種儀表檢測靈敏度較高，下限流速低，對振動不敏感，可用于清潔、無腐蝕性流體測量。
圖11 熱敏式渦街流量計
R11，R12-熱敏電阻
?、?超聲式VSF
超聲式VSF采用檢測方式5），如圖12所示。由圖可見，在管壁上安裝二對超聲探頭T1，R1，T2，R2，探頭T1，T2發(fā)射高頻、連續(xù)聲信號，聲波橫穿流體傳播。當旋渦通過聲束時，每一對旋轉方向相反的旋渦對聲波產(chǎn)生一個周期的調制作用，受調制聲波被接收探頭R1，R2轉換成電信號，經(jīng)放大、檢波、整形后得旋渦信號。儀表有較高檢測靈敏度，下限流速較低，但溫度對聲調制有影響，流場變化及液體中含氣泡對測量影響較大，故儀表適用于溫度變化小的氣體和含氣量微小的液體流量測量。
圖12 超聲式渦街流量傳感器
?、?振動體式VSF
振動體式VSF采用檢測方式2），如圖13所示。在旋渦發(fā)生體軸向開設圓柱形深孔，孔內放置軟磁材料制作的輕質空心小球或圓盤（振動體），旋渦分離產(chǎn)生的差壓推動振動體上下運動，位于振動體上方的電磁傳感器檢測出旋渦頻率。它只適用于清潔度較高的流體（如蒸汽），可用于*溫（427oC）及極低溫（-268oC），這是其特點。
圖13 振動體式渦街流量計
?、?升力式渦街質量流量計
旋渦分離的同時，旋渦發(fā)生體受到流體作用的升力，升力F的大小為
F=CLρU2/2 （5）
式中 CL-旋渦發(fā)生體升力系數(shù)。
以式（5）除以式（1），經(jīng)整理后可得質量流量qm
qm=ρU(π/4)D2=πD2Sr/2CLmd×F/f （6）
由式（6）可看出，質量流量qm與升力F成正比。圖14為原理框圖。從壓電檢測元件取出旋渦信號，經(jīng)電荷轉換器后分兩路處理：一路經(jīng)有源濾波器、施密特整形器和f/V轉換器，獲得與流速成正比的信號；另一路經(jīng)放大器、濾波器獲得信號幅值與ρU2成正比的信號。這兩路信號經(jīng)除法器運算，獲得質量流量。
圖14 升力式渦街質量流量計原理框圖
該方法結構簡單，但信號幅值與壓電元件穩(wěn)定性、放大器穩(wěn)定性、現(xiàn)場安裝條件、被測介質溫度等多種因素有關，測量度難以提高。
⑺ 差壓式渦街質量流量計
流體通過旋渦發(fā)生體，產(chǎn)生旋渦分離和尾流震蕩，部分能量被消耗和轉換，在旋渦發(fā)生體前后產(chǎn)生壓力損失
△p=CDρU2/2 ?。?）
式中 CD-渦街流量傳感器阻力系數(shù)。
以式（7）除式（1），經(jīng)整理后得質量流量qm
qm=ρU(π/4)D2=(πD2Sr/2mdCD)(△p/f) （8）
圖15示為差壓式渦街質量流量計原理框圖，傳感器輸出與體積流量成正比的頻率，差壓單元測出旋渦發(fā)生體前后特定位置的差壓△P，經(jīng)計算單元計算，獲得質量流量qm。選擇阻力特性和流量特性俱佳的旋渦發(fā)生體，確定取壓孔位置，建立CD的數(shù)學模型是技術關鍵。
圖15 差壓式渦街質量流量計
五、選用考慮要點
1. 應用概況
VSF自20世紀70年代在工業(yè)上應用以來，由于它具有一些突出的特點，受到用戶歡迎，并得到迅速發(fā)展。像它這樣開發(fā)只有20多年即已躋身通用流量計之列，在流量計中是少有的。由于應用時間短，無論理論研究或實踐經(jīng)驗都比較薄弱，不免出現(xiàn)一些問題，這是不足為怪的。多年實踐證明，VSF的選用（選型和使用）是用好流量計的關鍵環(huán)節(jié)，因此儀表制造廠應加強售前服務，即幫助用戶選型，并在安裝投用上給予指導。只要抓住這一環(huán)節(jié)，該流量計不失為一種性能不錯的流量計。
20世紀90年代中后期世界范圍內VSF在流量儀表總量中，臺數(shù)約占3%～5%，每年5萬～6萬臺，金額占4%～6%；在我國銷售臺數(shù)約占流量儀表總量（不包括*表和水 表及玻璃管浮子流量計）的6%～8%，每年1．5萬～2萬臺。
2. VSF的口徑選擇
VSF的儀表口徑及規(guī)格選擇很重要，它類似于差壓流量計節(jié)流裝置的設計計算，要遵循一些原則進行選擇。儀表口徑選擇步驟如下。
首先必須明確以下工作參數(shù)。
1）流體名稱，組分；
2）工作狀態(tài)的zui大、常用、zui小流量；
3）zui高、常用、zui低工作壓力和工作溫度；
4）工作狀態(tài)介質的粘度。
VSF的輸出信號是與工作狀態(tài)的體積流量成正比的，因此如已知氣體流量是標準狀態(tài)體積流量或質量流量時，應把它換算成工作狀態(tài)下的體積流量qv
qv=qn(pnTZ/pTnZn) m3／h ?。?）
式中 qv，qn--分別為工作狀態(tài)和標準狀態(tài)下的體積流量，m3／h；
P，Pn--分別為工作狀態(tài)和標準狀態(tài)下的壓力，Pa；
T，Tn--分別為工作狀態(tài)和標準狀態(tài)下的熱力學溫度，K；
Z，Zn--分別為工作狀態(tài)和標準狀態(tài)下的氣體壓縮系數(shù)。
工作狀態(tài)下介質的密度ρ和體積流量qv
ρ=ρn(pTnZn/ pnTZ) (10)
式中 ρ，ρn--分別為工作狀態(tài)和標準狀態(tài)下的介質密度，kg/m3；
其余符號同上。
qv =qm／ρ ?。?1）
式中 qm--質量流量，kg/h。
下面需要選擇傳感器口徑。傳感器口徑選擇主要是對流量下限值進行核算。它應該滿足 兩個條件：zui小雷諾數(shù)不應低于界限雷諾數(shù)（ReC＝2×104）和對于應力式VSF在下限流量 時旋渦強度應大于傳感器旋渦強度的允許值（旋渦強度與升力ρU2成比例關系），對于液體還應檢查zui小工作壓力是否高于工作溫度下的飽和蒸氣壓，即是否會產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象。
這些條件用數(shù)學式可表示如下(12-14)
式中 qVmin，qV0min--分別為工作狀態(tài)和校準狀態(tài)下的zui小體積流量，m3/h；
?。╭Vmin）ρ--滿足旋渦強度要求時zui小體積流量，m3/h；
?。╭Vmin）υ--滿足zui小雷諾數(shù)要求時zui小體積流量，m3/h；
ρ，ρ0--分別為工作狀態(tài)和校準狀態(tài)下介質的密度，kg/m3；
υ，υ0--分別為工作狀態(tài)和校準狀態(tài)下介質的運動粘度，m2/s；
Pmin--zui小工作壓力，Pa；
△p--zui大流量時傳感器的壓力損失，Pa，
△p=CD（ρU2/2），CD≈2
U--管道平均流速，m／s；
PV--工作溫度下液體的飽和蒸氣壓，Pa。
比較（qVmin）ρ，和（qVmin）υ：
若（qVmin）υ≥（qVmin）ρ，可測流量范圍為（qVmin）ρ～qVmax，線性范圍為（qVmin）υ～qVmax；
若（qVmin）υ＜（qVmin）ρ，可測流量范圍和線性范圍為（qVmin）ρ～qVmax。
流量測量范圍的確定還應檢查是否處于儀表的工作范圍（即上限流量的1/2～2/3處）。表4示有某型號渦街流量計特定校準條件下各種口徑的流量測量范圍。
表4 某型號渦街流量計特定校準條件下流量測量范圍
口徑DN/mm | 液體/(m3/h) | 氣體/(m3/h) | ||
標準測量范圍 | 可選測量范圍 | 標準測量范圍 | 可選測量范圍 | |
20 | 1.2～12 | 1～15 | 6～50 | 5～77 |
25 | 1.6～16 | 1.6～18 | 8～60 | 8～120 |
40 | 2～30 | 2～48 | 18～180 | 18～310 |
50 | 3～50 | 3～70 | 30～300 | 30～480 |
80 | 15～150 | 10～170 | 70～700 | 70～1230 |
100 | 20～200 | 15～270 | 100～1000 | 100～1920 |
125 | 36～360 | 25～450 | 150～1500 | 140～3000 |
150 | 50～500 | 40～630 | 200～2000 | 200～4000 |
200 | 100～1000 | 80～1200 | 400～4000 | 320～8000 |
250 | 150～1500 | 120～1800 | 600～6000 | 550～11000 |
300 | 200～2000 | 180～2500 | 1000～10000 | 800～18000 |
注：校準條件如下：
1．液體：常溫水，t=20℃，ρ=998.2kg/m3，υ=1.006×10-6m2/s。
2．氣體：常溫常壓空氣，t=20℃，P=0.1MPa（絕），ρ=1.205 kg/m3，υ=15×10-6 m2/s。
根據(jù)上述原則選擇的儀表口徑不－定與管道通徑相一致，如不同時應連接異形管并配置一段必要的直管段長度。
【例1】空氣流量測量
⑴ 已知條件
zui大流量：2000m3/h（20℃,101.325kPa）
zui小流量：300m3/h（20℃，101.325kPa）
管道內徑：80mm
工作壓力：0.5MPa（絕）
工作溫度：60℃
?。?）輔助計算
(3) 口徑選擇
比較（qV0min）ρ和（qV0min）υ，
（qV0min）ρ＞（qV0min）υ
故可測流量范圍為（qV0min）ρ～qVmax。
即可測流量范圍為143.7～2000m3/h，由表4查得DN100可滿足要求，這樣VSF口徑與管道通徑不一致，應設置異徑管（擴散管）并配置一段直管段。
【例2】熱水流量測量
（1）已知條件
zui大流量：18m3/h
zui小流量：6 m3/h
工作壓力：0.25MPa
工作溫度：90℃
介質密度：965 kg/m3
介質粘度：3.32×10-7m2/s
?。?）口徑選擇
比較（qV0min）ρ和（qV0min）υ，
?。╭V0min）ρ≤（qV0min）υ
可測流量范圍為（qV0min）ρ～qVmax。查得DN40、ND50皆可滿足要求，選擇DN40更合適些。
（3）檢查壓力損失
zui大流量時平均流速Umax為
查生產(chǎn)廠提供的資料得CD：2.2
則 △p=1.1ρU2max=1.1×965×3.982=0.168×105Pa
不發(fā)生氣穴的zui低工作壓力
p=2.7△pmax+1.3pv=2.7×0.168×105+1.3×0.7149×105=0.138MPa
故由計算可知不會發(fā)生氣穴現(xiàn)象。
飽和水蒸氣的流量測量范圍可由表4所示氣體流量測量范圍用下式求得
(15)
式中 qm--水蒸氣的質量流量，t/h；
qv空--空氣的體積流量，m3/h；
ρ--水蒸氣的密度，kg/m3；
ρ0--空氣的密度，ρ0=1.205 kg/m3。
飽和水蒸氣的流量測量范圍如表5所示。
試計算DN100飽和水蒸氣0.8MPa時的流量范圍。
1） 由表4查得DN100流量范圍100～1000 m3/h；
2） 由飽和水蒸氣密度表查出0.8MPa時，ρ=4.162 kg/m3；
3） 計算得
表5 飽和水蒸氣質量流量范圍 單位：（kg/ h）
絕壓p/MPa | 0.2 | 0.3 | 0.4 | 0.5 | 0.6 | 0.7 | 0.8 |
DN20 Qmin | 11 | 13 | 15 | 16 | 18 | 19 | 20 |
DN25 Qmin | 14 | 17 | 19 | 22 | 23 | 25 | 27 |
DN40 Qmin | 31 | 38 | 44 | 48 | 53 | 57 | 60 |
DN50 Qmin | 52 | 63 | 73 | 81 | 88 | 95 | 101 |
DN80 Qmin | 122 | 148 | 170 | 188 | 205 | 221 | 235 |
DN100 Qmin | 175 | 212 | 242 | 269 | 293 | 315 | 336 |
DN125 Qmin | 262 | 317 | 363 | 404 | 440 | 473 | 504 |
DN150 Qmin | 350 | 423 | 484 | 538 | 586 | 631 | 672 |
DN200 Qmin | 700 | 846 | 969 | 1076 | 1173 | 1261 | 1344 |
DN250 Qmin | 1050 | 1269 | 1453 | 1641 | 1759 | 1892 | 2016 |
DN300 Qmin | 1750 | 2116 | 2422 | 2690 | 2932 | 3153 | 3359 |
DN350 Qmin | 2624 | 3174 | 3632 | 4035 | 4397 | 4730 | 5038 |
DN400 Qmin | 3149 | 3808 | 4359 | 4842 | 5277 | 5676 | 6047 |
DN500 Qmin | 4374 | 5289 | 6054 | 6725 | 7329 | 7883 | 8398 |
DN600 Qmin | 5599 | 6770 | 7749 | 8608 | 9381 | 10089 | 10749 |
絕壓p/MPa | 0.9 | 1.0 | 1.2 | 1.4 | 1.6 | 1.8 | 2.0 |
DN20 Qmin | 21 | 22 | 24 | 26 | 28 | 30 | 31 |
DN25 Qmin | 28 | 30 | 33 | 35 | 37 | 40 | 42 |
DN40 Qmin | 64 | 67 | 73 | 79 | 84 | 89 | 94 |
DN50 Qmin | 107 | 112 | 122 | 132 | 140 | 149 | 157 |
DN80 Qmin | 249 | 261 | 285 | 307 | 328 | 347 | 365 |
DN100 Qmin | 355 | 374 | 408 | 439 | 468 | 496 | 522 |
DN125 Qmin | 553 | 560 | 611 | 658 | 702 | 743 | 783 |
DN150 Qmin | 711 | 747 | 815 | 878 | 936 | 992 | 1044 |
DN200 Qmin | 1421 | 1494 | 1630 | 1756 | 1873 | 1983 | 2088 |
DN250 Qmin | 2132 | 2241 | 2445 | 2634 | 2809 | 2974 | 3132 |
DN300 Qmin | 3553 | 3736 | 4076 | 4389 | 4682 | 4958 | 5220 |
DN350 Qmin | 5329 | 5603 | 6114 | 6538 | 7023 | 7436 | 7830 |
DN400 Qmin | 6395 | 6724 | 7336 | 7901 | 8427 | 8923 | 9396 |
DN500 Qmin | 8881 | 9339 | 10189 | 10973 | 11705 | 12394 | 13050 |
DN600 Qmin | 11368 | 11954 | 13042 | 14046 | 14982 | 15864 | 16704 |
3. VSF的度
VSF的度對于液體大,致在±0.5%R～±2%R，對于氣體在±l%R～±2%R，重復性一般為0.2%～0.5%。由于VSF的儀表系數(shù)較低，頻率分辨率低，口徑愈大愈低，故儀表口徑不宜過大（DN300以下）。
范圍度寬是VSF的特點，但重要的是下限流量為多少。一般液體平均流速下限為0.5m/s，氣體為4～5m／s。VSF的正常流量在正常測量范圍的1/2～2/3處。
VSF的儀表系數(shù)不受測量介質物性的影響，這是很大的優(yōu)點，可以用一種典型介質校驗而應用到其他介質去，對于解決校驗設備問題提供便利。但是應該看到由于液、氣的流速范圍差別很大，因此頻率范圍亦差別很大。處理渦街信號的放大器電路中，濾波器的通帶不同，電路參數(shù)亦不同，因此，同一電路參數(shù)是不能用于不同測量介質的。介質改變，電路參數(shù)亦應隨之改變。
另外，氣體和液體的密度差別很大，旋渦分離時產(chǎn)生的信號強度與密度成正比。因此信號強度差別亦很大，液、氣放大器電路的增益，觸發(fā)靈敏度等皆不一樣，壓電電荷差別大，電荷放大器的參數(shù)也不同。即使同為氣體（或液體、蒸汽）隨著介質壓力、溫度不同，密度不同，使用的流量范圍不同，信號強度亦不同，電路參數(shù)同樣要改變。因此一臺VSF不經(jīng)硬件或軟件修改，改變使用介質或改變儀表口徑是不可行的。
4. 主要問題
VSF大量使用已有十余年，使用效果不理想，總結起來主要有以下幾點原因。
1）產(chǎn)品質量問題，設計原理或設計方案有嚴重缺陷，產(chǎn)品材料、工藝質量不良。尤其近年來，一些生產(chǎn)廠片面追求利潤，產(chǎn)品粗制濫造，敗壞了VSF的聲譽。
2）儀表選型和使用問題，用戶給定工藝參數(shù)不準確，使得選型不當；安裝地點選擇有問題，安裝不符合規(guī)定要求。
3）現(xiàn)場調整問題，現(xiàn)場投運缺乏調整或調整不當，正確的調整是用好的關鍵。
5. 適用的情況
VSF不適用于測量低雷諾數(shù)（ReD≤2×104）流體。低雷諾數(shù)時斯特勞哈爾數(shù)隨著雷諾數(shù)而變，儀表線性度變差，流體粘度高會顯著影響甚至阻礙旋渦的產(chǎn)生，選型的一個限制條件是不能使用于界限雷諾數(shù)之下。
VSF適用的流體比較廣泛，但對于流體的臟污性質要注意。含固體微粒的流體對旋渦發(fā)生體的沖刷會產(chǎn)生噪聲，磨損旋渦發(fā)生體。若含有的短纖維纏繞在旋渦發(fā)生體上將改變儀表系數(shù)。
VSF在混相流體中的應用經(jīng)驗還少，一般可用于含分散、均勻的微小氣泡，但容積含氣率應小于7%～10%的氣、液兩相流，若超出2%就應對儀表系數(shù)進行修正?？捎糜诤稚?、均勻的固體微粒，含量不大于2%的氣固、液固兩相流。可用于互不溶解的液液（如油和水）兩組分流等。
脈動流和旋轉流會對VSF產(chǎn)生嚴重影響。如果脈動頻率與渦街頻率頻帶合拍可能引起諧振破壞正常工作和設備，使渦街信號產(chǎn)生"鎖定（1ock-in）"現(xiàn)象，這時信號固定于某一頻率。"鎖定"與脈動幅值、旋渦發(fā)生體形狀及堵塞比等有關。VSF的正常工作的脈動閾值尚待試驗確定。80年代以來國內外流量測量工作者已對VSF在混相流、脈動流中的應用開展許多試驗研究，標準化組織（ISO）已發(fā)布的技術報告中亦關注這方面內容。
6. 經(jīng)濟性
在眾多的流量計中，VSF的經(jīng)濟性較好，是一種經(jīng)濟實惠的流量計。VSF的基本性能處于中等偏上水平，購置費低于質量式、電磁式、容積式等，而安裝、運行、維護費低于節(jié)流式、容積式、渦輪式等，如僅作為控制系統(tǒng)檢測儀表可采用干校方式節(jié)省周期校驗費用。
六、 安裝使用注意事項
1. 安裝注意事項
VSF屬于對管道流速分布畸變、旋轉流和流動脈動等敏感的流量計，因此，對現(xiàn)場管道安裝條件應充分重視，遵照生產(chǎn)廠使用說明書的要求執(zhí)行。
VSF可安裝在室內或室外。如果安裝在地井里，有水淹的可能，要選用涎水型傳感器。傳感器在管道上可以水平、垂直或傾斜安裝，但測量液體和氣體時為防止氣泡和液滴的干擾，安裝位置要注意，如圖16所示。
圖16 混相流體的安裝
（a） 測量含液體的氣體流量儀表安裝；
（b） 測量含氣液體流量儀表安裝
VSF必須保證上、下游直管段有必要的長度，如圖17所示。在各種資料中數(shù)據(jù)有差異，其原因可能是，旋渦發(fā)生體尚未標準化，形狀尺寸的差異有多少影響尚待驗證；對各類阻流件必要的直管段長度試驗研究尚不夠，即還不成熟，對比節(jié)流式差壓流量計，這方面工作還處于初始階段。
圖17 渦街流量計對上、下游直管段長度的要求
（a）一個90o彎頭；（b）同心擴管；（c）同心收縮全開閥門；（d）不同平面兩個90o彎頭；
（e）調節(jié)閥半開閥門；（f）同一平面兩個90o彎頭
傳感器與管道的連接如圖18所示。在與管道連接時要注意以下問題。
圖18 傳感器與管道的連接
1） 上、下游配管內徑D與傳感器內徑D`相同，其差異滿足下述條件：0.95D≤D`≤1.1D。
2） 配管應與傳感器同心，同軸度應小于0.05D`。
3） 密封墊不能凸入管道內，其內徑可比傳感器內徑大1～2mm。
4） 如需斷流檢查與清洗傳感器，應設置旁通管道如圖19所示。
圖19 旁通管道示意圖
5） 減小振動對VSF的影響應該作為VSF現(xiàn)場安裝的一個突出問題來關注。首先在選擇傳感器安裝場所時盡量注意避開振動源。其次采用彈性軟管連接在小口徑中可以考慮。第三，加裝管道支撐物是有效的減振方法，一種管道支撐方法如圖20所示。
圖20 安裝管道支持舉例
成套安裝，包括前后直管段，流動調整器等是保證獲得高度測量的一個措施，特別這些裝配在制造廠進行更能保證安裝的質量，圖21所示為一安裝實例。
圖21 高精度測量的配管安裝
電氣安裝應注意傳感器與轉換器之間采用屏蔽電纜或低噪聲電纜連接，其距離不應超過使用說明書的規(guī)定。布線時應遠離強功率電源線，盡量用單獨金屬套管保護。應遵循"一點接地"原則，接地電阻應小于10Ω。整體型和分離型都應在傳感器側接地，轉換器外殼接地點應與傳感器"同地"。
2. 使用注意事項
（1）現(xiàn)場安裝完畢通電和通流前的檢查
1）主管和旁通管上各法蘭、閥門、測壓孔、測溫孔及接頭應無滲漏現(xiàn)象；
2）管道振動情況是否符合說明書規(guī)定；
3）傳感器安裝是否正確？各部分電氣連接是否良好？
?。?）接通電源靜態(tài)調試
在通電不通流時轉換器應無輸出，瞬時流量指示為零，累積流量無變化，否則首先檢查是否因信號線屏蔽或接地不良，或管道震動強烈而引入干擾信號。如確認不是上述原因時，可調整轉換器內電位器，降低放大器增益或提高整形電路觸發(fā)電平，直至輸出為零。
?。?）通流動態(tài)調試
關旁通閥，打開上下游閥門，流動穩(wěn)定后轉換器輸出連續(xù)的脈寬均勻的脈沖，流量指示穩(wěn)定無跳變，調閥門開度，輸出隨之改變。否則應細致檢查并調整電位器直至儀表輸出既無誤觸發(fā)又無漏脈沖為止。如儀表有故障可參照表7解決。
?。?）儀表系數(shù)修正
VSF的儀表系數(shù)是在實驗室條件下校驗的，現(xiàn)場使用時工作條件偏離實驗室條件應對儀表系數(shù)進行修正
KVO=f/qv 脈沖數(shù)/m3 (16)
KV=EtEREDKVO(17)
式中 KVO，KV--分別為實驗室條件和現(xiàn)場工作條件下的儀表系數(shù)；
Et--溫度修正系數(shù)；
ER--雷諾數(shù)修正系數(shù)；
ED--管徑修正系數(shù)。
其余符號同前。
溫度修正系數(shù)Et
Et=1/[1+(2αb+αx)(t-to)] （18）
式中 αb，αx--分別為傳感器表體和旋渦發(fā)生體的材料線膨脹系數(shù)，（oC·mm）-1；
t，to--分別為工作溫度和校驗溫度，oC。
雷諾數(shù)修正系數(shù)ER
在擴大測量范圍使用時，當測量超出規(guī)定的下限雷諾數(shù)時，應對儀表系數(shù)進行雷諾數(shù)修正，表6是某廠提供的數(shù)據(jù)（由于旋渦發(fā)生體未標準化，各插關內數(shù)據(jù)可能有差異）。
表6 雷諾數(shù)修正系數(shù)ER
雷諾數(shù)范圍 | ER | 雷諾數(shù)范圍 | ER |
5×103＜Re＜6×103 | 1.12 | 9×103＜Re＜104 | 1.047 |
管徑修正系數(shù)ED
配管直徑應符合規(guī)定范圍，這時對配管與傳感器表體內徑的實際偏差可用管徑修正系數(shù)ED修正之。
ED=（DN/D）2 ?。?9）
式中 DN--傳感器表體實際內徑，mm；
D--配管內徑，mm。
⑸ 故障現(xiàn)象、原因及排除方法
VSF有多種檢測方式，傳感器和測量電路差別也較大，但儀表常見的故障有共性，現(xiàn)列舉若干儀表故障及其對策如表7所示。
表7 故障處理
故障現(xiàn)象 | 可能原因 | 處理方法 |
通電后無流量時有輸出信號 | 1)輸入屏蔽或接地不良，引入電磁干擾 | 1)改善屏蔽與接地，排除電磁干擾 |
通電通流后無輸出信號 | 1)電源出故障 | 1)檢查電源與接地 |
輸出信號不規(guī)則不穩(wěn)定 | 1)有較強電干擾信號 | 1)加強屏蔽和接地 |
測量誤差大 | 1)直管段長度不足 | 1)加長直管段或加裝流動調整器 |
測量管泄漏 | 1)管內壓力過高 | 1)調整管壓，更改安裝位置 |
傳感器發(fā)出異常嘯叫聲 | 1)流速過高，引起強烈顫動 | 1)調整流量或更換通徑大的儀表 |
七、標準和檢定規(guī)程
雖然VSF在通用流量計中是很年輕的流量計，我國早在80年代就制訂了VSF專業(yè)標準（ZBN 12008-89）和檢定規(guī)程JJG 620-89，說明它受到行業(yè)的重視。專業(yè)標準于1998年進行了修訂，改變?yōu)镴B/T 9249-1999。檢定規(guī)程則與其他速度式流量計的堅定規(guī)程合并為一個新的檢定規(guī)程JJG 198-94，不過由于新規(guī)程包括了眾多種類速度式流量計（達8種之多?。?，在規(guī)定中VSF的一些特點就難以照顧到了，因此感覺有的規(guī)定不具體或*沒有規(guī)定，執(zhí)行起來有些困難。JJG 620-89還有一定參考價值。
國外對VSF標準制訂亦很重視，90年代初標準化組織（ISO）即成立起草工作組起草VSF標準，1993年提出委員會草案（ISO/CD 12764），至1997年頒布為技術報告（ISO/TR 12764：1997）。由于種種原因ISO把不宜作為標準的一些文件列為技術報告，例如得不到足夠支持率的文件，技術尚在發(fā)展還不夠成熟或作為參考資料提供等等，看來VSF文件還不夠成熟暫時尚不能作為標準發(fā)布。工業(yè)發(fā)達國家如美、日皆制訂有VSF國家標準（ASME/ANSI MFC-6M-1987和JIS Z8766-1989）。
在特定的流動條件下，一部分流體動能轉化為流體振動，其振動頻率與流速（流量）有確定的比例關系，依據(jù)這種原理工作的流量計稱為流體振動流量計。目前流體振動流量計有三類：渦街流量計、旋進（旋渦進動）流量計和射流流量計。流體振動流量計具有以下一些特點：
1）輸出為脈沖頻率，其頻率與被測流體的實際體積流量成正比，它不受流體組分、密度、壓力、溫度的影響；
2）測量范圍寬，一般范圍度可達10：1以上；
3）度為中上水平；
4）無可動部件，可靠性高；
5）結構簡單牢固，安裝方便，維護費較低；
6）應用范圍廣泛，可適用液體、氣體和蒸氣。
本文僅介紹渦街流量汁（以下簡稱VSF或流量計）。
VSF是在流體中安放一根（或多根）非流線型阻流體（bluff body），流體在阻流體兩側交替地分離釋放出兩串規(guī)則的旋渦，在一定的流量范圍內旋渦分離頻率正比于管道內的平均流速，通過采用各種形式的檢測元件測出旋渦頻率就可以推算出流體的流量。
早在1878年斯特勞哈爾（Strouhal）就發(fā)表了關于流體振動頻率與流速關系的文章，斯特勞哈爾數(shù)就是表示旋渦頻率與阻流體特征尺寸，流速關系的相似準則。人們早期對渦街的研究主要是防災的目的，如鍋爐及換熱器鋼管固有頻率與流體渦街頻率合拍將產(chǎn)生共振而破壞設備。渦街流體振動現(xiàn)象用于測量研究始于20世紀50年代，如風速計和船速計等。60年代末開始研制封閉管道流量計--渦街流量計，誕生了熱絲檢測法及熱敏檢測法VSF。70、80年代渦街流量計發(fā)展異常迅速，開發(fā)出眾多類型阻流體及檢測法的渦街流量計，并大量生產(chǎn)投放市場，像這樣在短短幾年時間內就達到從實驗室樣機到批量生產(chǎn)過程的流量計還*。
我國VSF的生產(chǎn)亦有飛速發(fā)展，全國生產(chǎn)廠達數(shù)十家，這種生產(chǎn)熱潮國外亦未曾有過。應該看到，VSF尚屬發(fā)展中的流量計，無論其理論基礎或實踐經(jīng)驗尚較差。至今zui基本的流量方程經(jīng)常引用卡曼渦街理論，而此理論及其一些定量關系是卡曼在氣體風洞（均勻流場）中實驗得出的，它與封閉管道中具有三維不均勻流場其旋渦分離的規(guī)律是不一樣的。至于實踐經(jīng)驗更是需要通過*應用才能積累。一般流量計出廠校驗是在實驗室參考條件下進行的，在現(xiàn)場偏離這些條件不可避免。工作條件的偏離到底會帶來多大的附加誤差至今在標準及生產(chǎn)廠資料中尚不明確。這些都說明流量計的迅速發(fā)展需求基礎研究工作必須跟上，否則在實用中經(jīng)常會出現(xiàn)一些預料不到的問題，這就是用戶對VSF存在一些疑慮的原因，它亟需探索解決。
VSF已躋身通用流量計之列，無論國內外皆已開發(fā)出多品種。全系列、規(guī)格齊全的產(chǎn)品，對于標準化工作亦很重視，流量計存在一些問題是發(fā)展中的正?，F(xiàn)象。
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