渦街流量計(jì)的原理及概述.doc

渦街流量計(jì)原理及概述2010-5-31 14:59:00 來源：江蘇瑞特儀表有限公司在特定的流動(dòng)條件下，一部分流體動(dòng)能轉(zhuǎn)化為流體振動(dòng)，其振動(dòng)頻率與流速（流量）有確定的比例關(guān)系，依據(jù)這種原理工作的流量計(jì)稱為流體振動(dòng)流量計(jì)。目前流體振動(dòng)流量計(jì)有三類：渦街流量計(jì)、旋進(jìn)（旋渦進(jìn)動(dòng)）流量計(jì)和射流流量計(jì)。流體振動(dòng)流量計(jì)具有以下一些特點(diǎn)：1）輸出為脈沖頻率，其頻率與被測流體的實(shí)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(dá)10：1以上；3）精確度為中上水平；4）無可動(dòng)部件，可靠性高；5）結(jié)構(gòu)簡單牢固，安裝方便，維護(hù)費(fèi)較低； 6）應(yīng)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(jì)）。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(cè)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(nèi)旋渦分離頻率正比于管道內(nèi)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(guān)于流體振動(dòng)頻率與流速關(guān)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(guān)系的相似準(zhǔn)則。人們早期對渦街的研究主要是防災(zāi)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(shè)備。渦街流體振動(dòng)現(xiàn)象用于測量研究始于20世紀(jì)50年代，如風(fēng)速計(jì)和船速計(jì)等。60年代末開始研制封閉管道流量計(jì)-渦街流量計(jì)，誕生了熱絲檢測法及熱敏檢測法VSF。70、80年代渦街流量計(jì)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(jì)，并大量生產(chǎn)投放市場，像這樣在短短幾年時(shí)間內(nèi)就達(dá)到從實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)到批量生產(chǎn)過程的流量計(jì)還絕無僅有。我國VSF的生產(chǎn)亦有飛速發(fā)展，全國生產(chǎn)廠達(dá)數(shù)十家，這種生產(chǎn)熱潮國外亦未曾有過。應(yīng)該看到，VSF尚屬發(fā)展中的流量計(jì)，無論其理論基礎(chǔ)或?qū)嵺`經(jīng)驗(yàn)尚較差。至今最基本的流量方程經(jīng)常引用卡曼渦街理論，而此理論及其一些定量關(guān)系是卡曼在氣體風(fēng)洞（均勻流場）中實(shí)驗(yàn)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)更是需要通過長期應(yīng)用才能積累。一般流量計(jì)出廠校驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室參考條件下進(jìn)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(huì)帶來多大的附加誤差至今在標(biāo)準(zhǔn)及生產(chǎn)廠資料中尚不明確。這些都說明流量計(jì)的迅速發(fā)展需求基礎(chǔ)研究工作必須跟上，否則在實(shí)用中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些預(yù)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(jì)之列，無論國內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)化工作亦很重視，流量計(jì)存在一些問題是發(fā)展中的正常現(xiàn)象。二、工作原理與結(jié)構(gòu)1. 工作原理在流體中設(shè)置旋渦發(fā)生體（阻流體），從旋渦發(fā)生體兩側(cè)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(shè)旋渦的發(fā)生頻率為f，被測介質(zhì)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(guān)系式f=SrU1/d=SrU/md （1）式中U1-旋渦發(fā)生體兩側(cè)平均流速，m/s；Sr-斯特勞哈爾數(shù)；m-旋渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積與管道橫截面面積之比 圖1 卡曼渦街 管道內(nèi)體積流量qv為qv=D2U/4=D2mdf/4Sr (2)K=f/qv=D2md/4Sr-1 (3)式中 K-流量計(jì)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(guān)外，還與斯特勞哈爾數(shù)有關(guān)。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(guān)，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(guān)系圖。由圖可見，在ReD=21047106范圍內(nèi)，Sr可視為常數(shù)，這是儀表正常工作范圍。當(dāng)測量氣體流量時(shí)，VSF的流量計(jì)算式為 (4) 圖2 斯特勞哈爾數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系曲線式中 qVn，qV-分別為標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下和工況下的絕對壓力，Pa； Tn，T-分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下和工況下的熱力學(xué)溫度，K； Zn，Z-分別為標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)僅與旋渦發(fā)生體及管道的形狀尺寸等有關(guān)。但是作為流量計(jì)在物料平衡及能源計(jì)量中需檢測質(zhì)量流量，這時(shí)流量計(jì)的輸出信號應(yīng)同時(shí)監(jiān)測體積流量和流體密度，流體物性和組分對流量計(jì)量還是有直接影響的。2. 結(jié)構(gòu)VSF由傳感器和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器包括前置放大器、濾波整形電路、DA轉(zhuǎn)換電路、輸出接口電路、端子、支架和防護(hù)罩等。近年來智能式流量計(jì)還把微處理器、顯示通訊及其他功能模塊亦裝在轉(zhuǎn)換器內(nèi)。圖3 渦街流量計(jì)（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(guān)，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(nèi)，有穩(wěn)定的旋渦分離點(diǎn)，保持恒定的斯特勞哈爾數(shù)；3） 能產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦街，信號的信噪比高； 4） 形狀和結(jié)構(gòu)簡單，便于加工和幾何參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，以及各種檢測元件的安裝和組合；5） 材質(zhì)應(yīng)滿足流體性質(zhì)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(yīng)用最廣泛的一種，如圖5所示。圖中D為儀表口徑。為提高渦街強(qiáng)度和穩(wěn)定性，可采用多旋渦發(fā)生體，不過它的應(yīng)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=0.20.3;c/D=0.10.2;b/d=11.5;=15o65o 檢測元件流量計(jì)檢測旋渦信號有5種方式。1） 用設(shè)置在旋渦發(fā)生體內(nèi)的檢測元件直接檢測發(fā)生體兩側(cè)差壓；2） 旋渦發(fā)生體上開設(shè)導(dǎo)壓孔，在導(dǎo)壓孔中安裝檢測元件檢測發(fā)生體兩側(cè)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(shù)（熱敏、超聲、應(yīng)力、應(yīng)變、電容、電磁、光電、光纖等）可以構(gòu)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)方式 3)方式 5)方式 1)懸臂梁/電容，懸臂梁/壓電片熱敏元件超聲波束 應(yīng)變元件 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)方式 2)壓電元件壓電元件 12方式 4)扭力管/壓電元件4方式 1)方式 2)方式 2)膜片/電容熱敏元件振動(dòng)體/電磁傳感器 13方式 4)振動(dòng)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(yīng)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(yīng)變元件8方式 2)熱敏元件18方式 5)超聲波束 轉(zhuǎn)換器檢測元件把渦街信號轉(zhuǎn)換成電信號，該信號既微弱又含有不同成分的噪聲，必須進(jìn)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(yīng)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(yīng)變式應(yīng)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(diào)諧-振動(dòng)放大器光電放大器低頻放大器轉(zhuǎn)換器原理框圖如圖6所示。圖6 轉(zhuǎn)換器原理框圖 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(diǎn)和局限性1. 優(yōu)點(diǎn)VSF結(jié)構(gòu)簡單牢固，安裝維護(hù)方便（與節(jié)流式差壓流量計(jì)相比較，無需導(dǎo)壓管和三閥組等，減少泄漏、堵塞和凍結(jié)等）。適用流體種類多，如液體、氣體、蒸氣和部分混相流體。精確度教高（與差壓式，浮子式流量計(jì)比較），一般為測量值的（ 1%2%）R。范圍寬度，可達(dá)10：1或20：1。壓損?。s為孔板流量計(jì)1/41/2）。輸出與流量成正比的脈沖信號，適用于總量計(jì)量，無零點(diǎn)漂移；在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)，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(guān)，只需在一種典型介質(zhì)中校驗(yàn)而適用于各種介質(zhì)，如圖8所示。圖8 不同測量介質(zhì)的斯特勞哈爾數(shù) 可根據(jù)測量對象選擇相應(yīng)的檢測方式，儀表的適應(yīng)性強(qiáng)。VSF在各種流量計(jì)中是一種較有可能成為僅需干式校驗(yàn)的流量計(jì)。2. 局限性VSF不適用于低雷諾數(shù)測量（ReD2104），故在高粘度、低流速、小口徑情況下應(yīng)用受到限制。旋渦分離的穩(wěn)定性受流速分布畸變及旋轉(zhuǎn)流的影響，應(yīng)根據(jù)上游側(cè)不同形式的阻流件配置足夠長的直管段或裝設(shè)流動(dòng)調(diào)整器（整流器），一般可借鑒節(jié)流式差壓流量計(jì)的直管段長度要求安裝。力敏檢測法VSF對管道機(jī)械振動(dòng)較敏感，不宜用于強(qiáng)振動(dòng)場所。與渦輪流量計(jì)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(jì)用于 DN300以下。儀表在脈動(dòng)流、混相流中尚欠缺理論研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。四、分類與凡種類型產(chǎn)品簡介1. 分類渦街流量計(jì)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(yīng)力式、電容式、應(yīng)變式、超聲式、振動(dòng)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、插入式和汽車專用型等。按傳感器與轉(zhuǎn)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(jì)、質(zhì)量流量計(jì)。2. 幾種類型產(chǎn)品簡介各類渦街流量計(jì)性能比較如表3所示。表3 不同檢測方法渦街流量計(jì)比較名 稱檢測變化量檢測技術(shù)口徑/mm介質(zhì)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(yīng)用范圍檢測原理檢測元件熱敏式渦街流量計(jì)流速變化加熱體冷卻熱敏元件25200-196+2051530104106清潔、無腐蝕液體、氣體超聲式渦街流量計(jì)聲束被調(diào)制超聲換能器25150-15+175303103106小口徑液體、氣體電容式渦街流量計(jì)壓力變 化壓差作用壓差檢測膜片/電容15300-200+40030104106液體、氣體、蒸汽應(yīng)力式渦街流量計(jì)壓差檢測膜片/壓電片50200-18+20516104106液體、氣體、蒸汽振動(dòng)體式渦街流量計(jì)壓差檢測圓盤/電磁50200-268-4810305103106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(jì)壓差檢測反射鏡/光電元件4080-10+50403103105低壓常溫氣體應(yīng)變式渦街流量計(jì)升力作用應(yīng)變檢測應(yīng)變元件50150-40120151043106液體應(yīng)力式渦街流量計(jì)應(yīng)力檢測壓電元件15300-40+40010201047106液體、氣體、蒸汽注-較好、-一般、-差。以下簡介幾種類型VSF。 應(yīng)力式VSF如圖9所示，應(yīng)力式VSF應(yīng)用檢測方式1）4）（見二、2.），它把檢測元件受到的升力以應(yīng)力形式作用在壓電晶體元件上，轉(zhuǎn)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(yīng)快、信號強(qiáng)、工藝性好、制造成本低、與測量介質(zhì)不接觸、可靠性高。儀表的工作溫度范圍寬，現(xiàn)場適應(yīng)性強(qiáng)，可靠性較高，它是目前VSF的主要產(chǎn)品類型。圖9 應(yīng)力式渦街流量計(jì)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(dòng)較敏感，是其主要缺點(diǎn)，幾年來，生產(chǎn)廠家做了大量工作以彌補(bǔ)此缺陷：如對儀表本身結(jié)構(gòu)，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(diǎn)咨詢指導(dǎo)等，已經(jīng)取得一定的進(jìn)展，當(dāng)然如測量對象有較強(qiáng)的振動(dòng)還是不用為好。（2）電容式VSF電容式VSF應(yīng)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(dāng)于一個(gè)懸臂梁（見圖10）。當(dāng)旋渦產(chǎn)生時(shí)，在兩側(cè)形成微小的壓差，使振動(dòng)體繞支點(diǎn)產(chǎn)生微小變形，從而導(dǎo)致一個(gè)電容間隙減少（電容量增大），另一個(gè)電容間隙增大（電容量下降），通過差分電路檢測電容差值。當(dāng)管道有振動(dòng)時(shí)，不管振動(dòng)是何方向，由振動(dòng)產(chǎn)生的慣性力同時(shí)作用在振動(dòng)體及電極上，使振動(dòng)體與電極都在同方向上產(chǎn)生變形，由于設(shè)計(jì)時(shí)保證了振動(dòng)體與電極的幾何結(jié)構(gòu)與尺寸相匹配，使它們的變形量一致，差動(dòng)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，不可能完全消除振動(dòng)的影響，但大大提高了耐振性能。試驗(yàn)證明，其耐振性能超過1g。電容式另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可耐高溫達(dá)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(dǎo)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(yàn)證明，當(dāng)溫度升高至400oC時(shí)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(zhuǎn)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(dòng)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(jì)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(dāng)旋渦通過聲束時(shí)，每一對旋轉(zhuǎn)方向相反的旋渦對聲波產(chǎn)生一個(gè)周期的調(diào)制作用，受調(diào)制聲波被接收探頭R1，R2轉(zhuǎn)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(diào)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(dòng)體式VSF振動(dòng)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(shè)圓柱形深孔，孔內(nèi)放置軟磁材料制作的輕質(zhì)空心小球或圓盤（振動(dòng)體），旋渦分離產(chǎn)生的差壓推動(dòng)振動(dòng)體上下運(yùn)動(dòng)，位于振動(dòng)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），可用于極高溫（427oC）及極低溫（-268oC），這是其特點(diǎn)。圖13 振動(dòng)體式渦街流量計(jì) 升力式渦街質(zhì)量流量計(jì)旋渦分離的同時(shí)，旋渦發(fā)生體受到流體作用的升力，升力F的大小為F=CLU2/2 （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(zhì)量流量qmqm=U(/4)D2=D2Sr/2CLmdF/f （6） 由式（6）可看出，質(zhì)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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U2成正比的信號。這兩路信號經(jīng)除法器運(yùn)算，獲得質(zhì)量流量。圖14 升力式渦街質(zhì)量流量計(jì)原理框圖 該方法結(jié)構(gòu)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(zhì)溫度等多種因素有關(guān)，測量精確度難以提高。 差壓式渦街質(zhì)量流量計(jì)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(zhuǎn)換，在旋渦發(fā)生體前后產(chǎn)生壓力損失p=CDU2/2 （7）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(zhì)量流量qmqm=U(/4)D2=(D2Sr/2mdCD)(p/f) （8）圖15示為差壓式渦街質(zhì)量流量計(jì)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(jì)算單元計(jì)算，獲得質(zhì)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(xué)模型是技術(shù)關(guān)鍵。圖15 差壓式渦街質(zhì)量流量計(jì) 五、選用考慮要點(diǎn)1. 應(yīng)用概況VSF自20世紀(jì)70年代在工業(yè)上應(yīng)用以來，由于它具有一些突出的特點(diǎn)，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(jì)之列，在流量計(jì)中是少有的。由于應(yīng)用時(shí)間短，無論理論研究或?qū)嵺`經(jīng)驗(yàn)都比較薄弱，不免出現(xiàn)一些問題，這是不足為怪的。多年實(shí)踐證明，VSF的選用（選型和使用）是用好流量計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此儀表制造廠應(yīng)加強(qiáng)售前服務(wù)，即幫助用戶選型，并在安裝投用上給予指導(dǎo)。只要抓住這一環(huán)節(jié)，該流量計(jì)不失為一種性能不錯(cuò)的流量計(jì)。20世紀(jì)90年代中后期世界范圍內(nèi)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（不包括家用燃?xì)獗砗退?表及玻璃管浮子流量計(jì)）的6%8%，每年15萬2萬臺。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(jì)節(jié)流裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算，要遵循一些原則進(jìn)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)的最大、常用、最小流量；3）最高、常用、最低工作壓力和工作溫度； 4）工作狀態(tài)介質(zhì)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?dú)怏w流量是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)體積流量或質(zhì)量流量時(shí)，應(yīng)把它換算成工作狀態(tài)下的體積流量qvqv=qn(pnTZ/pTnZn) m3h （9）式中 qv，qn-分別為工作狀態(tài)和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量，m3h； P，Pn-分別為工作狀態(tài)和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的絕對壓力，Pa； T，Tn-分別為工作狀態(tài)和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的熱力學(xué)溫度，K； Z，Zn-分別為工作狀態(tài)和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體壓縮系數(shù)。 工作狀態(tài)下介質(zhì)的密度和體積流量qv=n(pTnZn/ pnTZ) (10)式中，n-分別為工作狀態(tài)和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的介質(zhì)密度，kg/m3；其余符號同上。 qv =qm （11）式中 qm-質(zhì)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(jìn)行核算。它應(yīng)該滿足 兩個(gè)條件：最小雷諾數(shù)不應(yīng)低于界限雷諾數(shù)（ReC2104）和對于應(yīng)力式VSF在下限流量 時(shí)旋渦強(qiáng)度應(yīng)大于傳感器旋渦強(qiáng)度的允許值（旋渦強(qiáng)度與升力U2成比例關(guān)系），對于液體還應(yīng)檢查最小工作壓力是否高于工作溫度下的飽和蒸氣壓，即是否會(huì)產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象。這些條件用數(shù)學(xué)式可表示如下(12-14)式中 qVmin，qV0min-分別為工作狀態(tài)和校準(zhǔn)狀態(tài)下的最小體積流量，m3/h；（qVmin）-滿足旋渦強(qiáng)度要求時(shí)最小體積流量，m3/h；（qVmin）-滿足最小雷諾數(shù)要求時(shí)最小體積流量，m3/h；，0-分別為工作狀態(tài)和校準(zhǔn)狀態(tài)下介質(zhì)的密度，kg/m3；，0-分別為工作狀態(tài)和校準(zhǔn)狀態(tài)下介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s；Pmin-最小工作壓力，Pa； p-最大流量時(shí)傳感器的壓力損失，Pa，p=CD（U2/2），CD2U-管道平均流速，ms； PV-工作溫度下液體的飽和蒸氣壓，Pa。 比較（qVmin），和（qVmin）： 若（qVmin）（qVmin），可測流量范圍為（qVmin）qVmax，線性范圍為（qVmin）qVmax； 若（qVmin）（qVmin），可測流量范圍和線性范圍為（qVmin）qVmax。流量測量范圍的確定還應(yīng)檢查是否處于儀表的最佳工作范圍（即上限流量的1/22/3處）。表4示有某型號渦街流量計(jì)特定校準(zhǔn)條件下各種口徑的流量測量范圍。表4 某型號渦街流量計(jì)特定校準(zhǔn)條件下流量測量范圍口徑DN/mm液體/(m3/h)氣體/(m3/h)標(biāo)準(zhǔn)測量范圍可選測量范圍標(biāo)準(zhǔn)測量范圍可選測量范圍201.212115650577251.6161.618860812040230248181801831050350370303003048080151501017070700701230100202001527010010001001920125363602545015015001403000150505004063020020002004000200100100080120040040003208000250150150012018006006000550110003002002000180250010001000080018000注：校準(zhǔn)條件如下： 1液體：常溫水，t=20，=998.2kg/m3，=1.00610-6m2/s。2氣體：常溫常壓空氣，t=20，P=0.1MPa（絕），=1.205 kg/m3，=1510-6 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(shí)應(yīng)連接異形管并配置一段必要的直管段長度?！纠?】空氣流量測量 已知條件 最大流量：2000m3/h（20,101.325kPa） 最小流量：300m3/h（20，101.325kPa） 管道內(nèi)徑：80mm 工作壓力：0.5MPa（絕） 工作溫度：60 （2）輔助計(jì)算 (3) 口徑選擇比較（qV0min）和（qV0min），（qV0min）（qV0min）故可測流量范圍為（qV0min）qVmax。即可測流量范圍為143.72000m3/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(yīng)設(shè)置異徑管（擴(kuò)散管）并配置一段直管段?！纠?】熱水流量測量（1）已知條件最大流量：18m3/h最小流量：6 m3/h工作壓力：0.25MPa 工作溫度：90 介質(zhì)密度：965 kg/m3介質(zhì)粘度：3.3210-7m2/s（2）口徑選擇 比較（qV0min）和（qV0min），（qV0min）（qV0min）可測流量范圍為（qV0min）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 最大流量時(shí)平均流速Umax為查生產(chǎn)廠提供的資料得CD：2.2 則 p=1.1U2max=1.19653.982=0.168105Pa不發(fā)生氣穴的最低工作壓力 p=2.7pmax+1.3pv=2.70.168105+1.30.7149105=0.138MPa故由計(jì)算可知不會(huì)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(zhì)量流量，t/h； qv空-空氣的體積流量，m3/h； -水蒸氣的密度，kg/m3； 0-空氣的密度，0=1.205 kg/m3。飽和水蒸氣的流量測量范圍如表5所示。試計(jì)算DN100飽和水蒸氣0.8MPa時(shí)的流量范圍。1） 由表4查得DN100流量范圍1001000 m3/h；2） 由飽和水蒸氣密度表查出0.8MPa時(shí)，=4.162 kg/m3；3） 計(jì)算得 表5 飽和水蒸氣質(zhì)量流量范圍 單位：（kg/ h）絕壓p/MPa溫度T/oC密度p/(kg/m3)0.2120.231.129 0.3133.541.651 0.4143.622.163 0.5151.842.669 0.6158.943.170 0.7164.963.667 0.8170.414.162 DN20 QminQmax可擴(kuò)展最大上限 118989131301301515017116160211181802501919029020200329DN25 QminQmax可擴(kuò)展最大上限 14140140171702041919026722220330232303912525045327270541DN40 QminQmax可擴(kuò)展最大上限 31310357383805224444068448480844535301003575701160606001317DN50 QminQmax可擴(kuò)展最大上限 525205586363081673730106981810132088880156895950181310110102058DN80 QminQmax可擴(kuò)展最大上限 12212201429148148020901701700273818818803379205205040132212210464223523505269DN100 QminQmax可擴(kuò)展最大上限 17517502233212212032662422420427826926905279293293062703153150725433633608233DN125 QminQmax可擴(kuò)展最大上限 2622620348931731705103363363066854044040824944044009798473473011334504504012864DN150 QminQmax可擴(kuò)展最大上限 350350050254234230734848448409627538538011879586586014019631631016321672672015824DN200 QminQmax可擴(kuò)展最大上限 7007000893384684601306496996901711510761076021119117311730250831261126102901613441344032993DN250 QminQmax可擴(kuò)展最大上限 10501050013958126912690204121453145302674216411641032998175917590391931892189204533720162016051457DN300 QminQmax可擴(kuò)展最大上限 17501750020100211621160293942422242203850926902690047518293229320564383153315306528633593359074099DN350 QminQmax可擴(kuò)展最大上限 26242624027359317431740400836323632052415403540350646774397439707681847304730088862503850380100857DN400 QminQmax可擴(kuò)展最大上限 31493149035734380838080522564359435906846148424842084477527752770100334567656760116064604760470131732DN500 QminQmax可擴(kuò)展最大上限 4374437405583452895289081650605460540106971672567250131995732973290156772788378830181351839883980205831DN600 QminQmax可擴(kuò)展最大上限 559955990804016770677001175767749774901540388608860801900739381938102257521008910089026114610749107490296397絕壓p/MPa溫度T/oC密度p/(kg/m3)0.9175.364.655 1.0179.885.147 1.2187.966.127 1.4195.047.106 1.6201.378.085 1.8207.119.0652.0212.3710.05 DN20 QminQmax可擴(kuò)展最大上限 21210368222204072424048426260562282806393030071731310794DN25 QminQmax可擴(kuò)展最大上限 2828057530300636333307573535087837370999404001120424201242DN40 QminQmax可擴(kuò)展最大上限 646401473676701629737301939797902249848402559898902869949403180DN50 QminQmax可擴(kuò)展最大上限 10710702302112112025451221220303013213203514140140039981491490448315715704970DN80 QminQmax可擴(kuò)展最大上限 24924905893261261065152852850775730730708996328328010235347347011476365365012723DN100 QminQmax可擴(kuò)展最大上限 35535509208374374010181408408012120439439014057468468015993496496017932522522019880DN125 QminQmax可擴(kuò)展最大上限 553553014388560560015908611611018938658658021964702702024990743743028018783783031063DN150 QminQmax可擴(kuò)展最大上限 71171102071974774702290981581502727087887803162893693603598599299204034710441044044732DN200 QminQmax可擴(kuò)展最大上限 14211421036834149414940407271630163004848117561756056228187318730637941983198307172920882088079523DN250 QminQmax可擴(kuò)展最大上限 2132213205755322412241063636244524450757522634263408785628092809099960297429740112077313231320124225DN300 QminQmax可擴(kuò)展最大上限 35533553082876373637360916364076407601090834389438901265134682468201439434958495801613911522052200178928DN350 QminQmax可擴(kuò)展最大上限 532953290112804560356030124726611461140148457653865380172199702370230195923743674360219671783078300243541DN400 QminQmax可擴(kuò)展最大上限 63956395014733667246724016290873367336019392679017901022491842784270255899892389230286918939693960318094DN500 QminQmax可擴(kuò)展最大上限 8881888102302139339933902545441018910189030301010973109730351472117051170503998431239412394044830913050130500497022DN600 QminQmax可擴(kuò)展最大上限 113681136803315061195411954036654413042130420436335140461404605060551498214982057577415864158640645565167041670407157123. VSF的精確度VSF的精確度對于液體大,致在0.5%R2%R，對于氣體在l%R2%R，重復(fù)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(diǎn)，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45ms。VSF的正常流量最好在正常測量范圍的1/22/3處。VSF的儀表系數(shù)不受測量介質(zhì)物性的影響，這是很大的優(yōu)點(diǎn)，可以用一種典型介質(zhì)校驗(yàn)而應(yīng)用到其他介質(zhì)去，對于解決校驗(yàn)設(shè)備問題提供便利。但是應(yīng)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(zhì)的。介質(zhì)改變，電路參數(shù)亦應(yīng)隨之改變。另外，氣體和液體的密度差別很大，旋渦分離時(shí)產(chǎn)生的信號強(qiáng)度與密度成正比。因此信號強(qiáng)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(zhì)壓力、溫度不同，密度不同，使用的流量范圍不同，信號強(qiáng)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(zhì)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(jié)起來主要有以下幾點(diǎn)原因。1）產(chǎn)品質(zhì)量問題，設(shè)計(jì)原理或設(shè)計(jì)方案有嚴(yán)重缺陷，產(chǎn)品材料、工藝質(zhì)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(yù)。2）儀表選型和使用問題，用戶給定工藝參數(shù)不準(zhǔn)確，使得選型不當(dāng)；安裝地點(diǎn)選擇有問題，安裝不符合規(guī)定要求。3）現(xiàn)場調(diào)整問題，現(xiàn)場投運(yùn)缺乏調(diào)整或調(diào)整不當(dāng)，正確的調(diào)整是用好的關(guān)鍵。5. 適用的情況VSF不適用于測量低雷諾數(shù)（ReD2104）流體。低雷諾數(shù)時(shí)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(huì)顯著影響甚至阻礙旋渦的產(chǎn)生，選型的一個(gè)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(zhì)要注意。含固體微粒的流體對旋渦發(fā)生體的沖刷會(huì)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(yīng)用經(jīng)驗(yàn)還少，一般可用于含分散、均勻的微小氣泡，但容積含氣率應(yīng)小于7%10%的氣、液兩相流，若超出2%就應(yīng)對儀表系數(shù)進(jìn)行修正?？捎糜诤稚ⅰ⒕鶆虻墓腆w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(dòng)流和旋轉(zhuǎn)流會(huì)對VSF產(chǎn)生嚴(yán)重影響。如果脈動(dòng)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(shè)備，使渦街信號產(chǎn)生鎖定（1ock-in）現(xiàn)象，這時(shí)信號固定于某一頻率。鎖定與脈動(dòng)幅值、旋渦發(fā)生體形狀及堵塞比等有關(guān)。VSF的正常工作的脈動(dòng)閾值尚待試驗(yàn)確定。80年代以來國內(nèi)外流量測量工作者已對VSF在混相流、脈動(dòng)流中的應(yīng)用開展許多試驗(yàn)研究，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）已發(fā)布的技術(shù)報(bào)告中亦關(guān)注這方面內(nèi)容。6. 經(jīng)濟(jì)性在眾多的流量計(jì)中，VSF的經(jīng)濟(jì)性較好，是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的流量計(jì)。VSF的基本性能處于中等偏上水平，購置費(fèi)低于質(zhì)量式、電磁式、容積式等，而安裝、運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)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(yàn)費(fèi)用。 六、 安裝使用注意事項(xiàng) 1. 安裝注意事項(xiàng)VSF屬于對管道流速分布畸變、旋轉(zhuǎn)流和流動(dòng)脈動(dòng)等敏感的流量計(jì)，因此，對現(xiàn)場管道安裝條件應(yīng)充分重視，遵照生產(chǎn)廠使用說明