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   一、 旋渦流量計的概 述

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過程的流量計還*。
　　我國VSF的生產亦有飛速發(fā)展，全國生產廠達數(shù)十家，這種生產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驗尚較差。至今zui基本的流量方程經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。至于實踐經驗更是需要通過長期應用才能積累。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。

                                              二、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 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（1）
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 　　　　　　　　　　　　　　　?。?）
　　　　　　　　　　　　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
　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　?。?）

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
 

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
 

　　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。
　　壓損小（約為孔板流量計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驗。

四、分類與凡種類型產品簡介

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
 

　　以下簡介幾種類型VSF。

　　⑴ 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。

?。?）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）。當旋渦產生時，在兩側形成微小的壓差，使振動體繞支點產生微小變形，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

　?、?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 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　?。?）
式中 　　CL-旋渦發(fā)生體升力系數(shù)。
　　以式（5）除以式（1），經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，經電荷轉換器后分兩路處理：一路經有源濾波器、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），經整理后得質量流量qm
　　　　　　　　　　　　qm=ρU（π/4）D2=（πD2Sr/2mdCD）（△p/f） 　　　　　　　　　　　?。?）
　　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 　　　　　　　　　　　　　　　　（9）
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） 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　?。?0）
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