一、 概 述
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(chēng)為流體振動(dòng)流量計(jì)。目前流體振動(dòng)流量計(jì)有三類(lèi)：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(cè)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(cè)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(wú)可動(dòng)部件，可靠性高；
5）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jiǎn)稱(chēng)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(guò)采用各種形式的檢測(cè)元件測(cè)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?cè)缙趯?duì)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(cè)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(kāi)始研制封閉管道流量計(jì)--渦街流量計(jì)，誕生了熱絲檢測(cè)法及熱敏檢測(cè)法VSF。70、80年代渦街流量計(jì)發(fā)展異常迅速，開(kāi)發(fā)出眾多類(lèi)型阻流體及檢測(cè)法的渦街流量計(jì)，并大量生產(chǎn)投放市場(chǎng)，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(guò)程的流量計(jì)還絕無(wú)僅有。
我國(guó)VSF的生產(chǎn)亦有飛速發(fā)展，全國(guó)生產(chǎn)廠達(dá)數(shù)十家，這種生產(chǎn)熱潮國(guó)外亦未曾有過(guò)。應(yīng)該看到，VSF尚屬發(fā)展中的流量計(jì)，無(wú)論其理論基礎(chǔ)或?qū)嵺`經(jīng)驗(yàn)尚較差。至今蕞基本的流量方程經(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(chǎng)）中實(shí)驗(yàn)得出的，它與封閉管道中具有三維不均勻流場(chǎng)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(guò)長(zhǎng)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(chǎng)偏離這些條件不可避免。工作條件的偏離到底會(huì)帶來(lái)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(shuō)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(wèn)題，這就是用戶(hù)對(duì)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(wú)論國(guó)內(nèi)外皆已開(kāi)發(fā)出多品種。全系列、規(guī)格齊全的產(chǎn)品，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)化工作亦很重視，流量計(jì)存在一些問(wèn)題是發(fā)展中的正?，F(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(chēng)為卡曼渦街，如圖1所示。旋渦列在旋渦發(fā)生體下游非對(duì)稱(chēng)地排列。設(shè)旋渦的發(fā)生頻率為f，被測(cè)介質(zhì)來(lái)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=πD2U/4=πD2mdf/4Sr ?。?）
K=f/qv=[πD2md/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(wú)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(jiàn)，在ReD=2×104～7×106范圍內(nèi)，Sr可視為常數(shù)，這是儀表正常工作范圍。當(dāng)測(cè)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(duì)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(jiàn)，VSF輸出的脈沖頻率信號(hào)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(cè)質(zhì)量流量，這時(shí)流量計(jì)的輸出信號(hào)應(yīng)同時(shí)監(jiān)測(cè)體積流量和流體密度，流體物性和組分對(duì)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(cè)元件、儀表表體等；轉(zhuǎn)換器包括前置放大器、濾波整形電路、D／A轉(zhuǎn)換電路、輸出接口電路、端子、支架和防護(hù)罩等。近年來(lái)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(cè)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(duì)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(hào)的信噪比高；
4） 形狀和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于加工和幾何參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，以及各種檢測(cè)元件的安裝和組合；
5） 材質(zhì)應(yīng)滿(mǎn)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(hào)的頻帶外。
已經(jīng)開(kāi)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(lèi)，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)用蕞廣泛的一種，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(guò)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=0.2～0.3;c/D=0.1～0.2;
b/d=1～1.5;θ=15o～65o
⑵ 檢測(cè)元件
流量計(jì)檢測(cè)旋渦信號(hào)有5種方式。
1） 用設(shè)置在旋渦發(fā)生體內(nèi)的檢測(cè)元件直接檢測(cè)發(fā)生體兩側(cè)差壓；
2） 旋渦發(fā)生體上開(kāi)設(shè)導(dǎo)壓孔，在導(dǎo)壓孔中安裝檢測(cè)元件檢測(cè)發(fā)生體兩側(cè)差壓；
3） 檢測(cè)旋渦發(fā)生體周?chē)蛔儹h(huán)流；
4） 檢測(cè)旋渦發(fā)生體背面交變差壓；
5） 檢測(cè)尾流中旋渦列。
根據(jù)這5種檢測(cè)方式，采用不同的檢測(cè)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(lèi)型的VSF，如表1所示。
表1 旋渦發(fā)生體和檢測(cè)方式一覽表
序號(hào) | 旋渦發(fā)生體截面形狀 | 傳感器 | 序號(hào) | 旋渦發(fā)生體截面形狀 | 傳感器 |
檢測(cè)方式 | 檢測(cè)元件 | 檢測(cè)方式 | 檢測(cè)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?cè)?/p> | 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?cè)?/p> |
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?cè)?/p> |
8 | 
| 方式 2） | 熱敏元件 | 18 | 
| 方式 5） | 超聲波束 |
⑶ 轉(zhuǎn)換器
檢測(cè)元件把渦街信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，該信號(hào)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(hào)。
不同檢測(cè)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(cè)方式與前置放大器
檢測(cè)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
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(diǎn)和局限性
1. 優(yōu)點(diǎn)
VSF結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(wú)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(lèi)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(cè)量值的（ ±1%～±2%）R。
范圍寬度，可達(dá)10：1或20：1。
壓損小（約為孔板流量計(jì)1/4～1/2）。
輸出與流量成正比的脈沖信號(hào)，適用于總量計(jì)量，無(wú)零點(diǎn)漂移；
在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)，輸出頻率信號(hào)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(cè)量介質(zhì)的斯特勞哈爾數(shù)
可根據(jù)測(cè)量對(duì)象選擇相應(yīng)的檢測(cè)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(cè)量（ReD≥2×104），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(zhǎng)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(zhǎng)度要求安裝。
力敏檢測(cè)法VSF對(duì)管道機(jī)械振動(dòng)較敏感，不宜用于強(qiáng)振動(dòng)場(chǎng)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(mǎn)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(lèi)與凡種類(lèi)型產(chǎn)品簡(jiǎn)介
1. 分類(lèi)
渦街流量計(jì)可按下述原則分類(lèi)。
按傳感器連接方式分為法蘭型和夾裝型。
按檢測(cè)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(chē)專(zhuān)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(cè)量原理分為體積流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)。
2. 幾種類(lèi)型產(chǎn)品簡(jiǎn)介
各類(lèi)渦街流量計(jì)性能比較如表3所示。
表3 不同檢測(cè)方法渦街流量計(jì)比較
名 稱(chēng) | 檢測(cè)變化量 | 檢測(cè)技術(shù) | 口徑/mm | 介質(zhì)溫度/oC | 范圍度 | 雷諾數(shù)范圍 | 簡(jiǎn)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(cè)原理 | 檢測(cè)元件 |
熱敏式渦街流量計(jì) | 流
速
變
化 | 加熱體冷卻 | 熱敏元件 | 25～200 | -196～+205 | 15～30 | 104～106 | △ | √ | √ | × | √ | × | 清潔、無(wú)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 | 25～150 | -15～+175 | 30 | 3×103～106 | × | △ | √ | △ | √ | √ | 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(cè) | 膜片/電容 | 15～300 | -200～+400 | 30 | 104～106 | × | △ | √ | √ | △ | △ | 液體、氣體、蒸汽 |
應(yīng)力式渦街流量計(jì) | 壓差檢測(cè) | 膜片/壓電片 | 50～200 | -18～+205 | 16 | 104～106 | × | △ | √ | √ | × | √ | 液體、氣體、蒸汽 |
振動(dòng)體式渦街流量計(jì) | 壓差檢測(cè) | 圓盤(pán)/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(jì) | 壓差檢測(cè) | 反射鏡/光電元件 | 40～80 | -10～+50 | 40 | 3×103～105 | √ | △ | √ | × | × | × | 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(cè) | 應(yīng)變?cè)?/p> | 50～150 | -40～120 | 15 | 104～3×106 | △ | √ | × | △ | △ | √ | 液體 |
應(yīng)力式渦街流量計(jì) | 應(yīng)力檢測(cè) | 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(jiǎn)介幾種類(lèi)型VSF。
⑴ 應(yīng)力式VSF
如圖9所示，應(yīng)力式VSF應(yīng)用檢測(cè)方式1）～4）（見(jiàn)二、2.），它把檢測(cè)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(hào)，經(jīng)電荷放大、濾波、整形后得到旋渦頻率信號(hào)。壓電傳感器響應(yīng)快、信號(hào)強(qiáng)、工藝性好、制造成本低、與測(cè)量介質(zhì)不接觸、可靠性高。儀表的工作溫度范圍寬，現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性強(qiáng)，可靠性較高，它是目前VSF的主要產(chǎn)品類(lèi)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(xiāo)；12-銘牌；13-圓螺母；14-支架；15-螺栓
但是，它對(duì)管道振動(dòng)較敏感，是其主要缺點(diǎn)，幾年來(lái)，生產(chǎn)廠家做了大量工作以彌補(bǔ)此缺陷：如對(duì)儀表本身結(jié)構(gòu)，檢測(cè)位置以及信號(hào)處理等采取措施；在管道安裝減震方式下功夫；向用戶(hù)提供選點(diǎn)咨詢(xún)指導(dǎo)等，已經(jīng)取得一定的進(jìn)展，當(dāng)然如測(cè)量對(duì)象有較強(qiáng)的振動(dòng)還是不用為好。
?。?）電容式VSF
電容式VSF應(yīng)用檢測(cè)方式1）、2），安裝在渦街流量傳感器中的電容檢測(cè)元件相當(dāng)于一個(gè)懸臂梁（見(jiàn)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(guò)差分電路檢測(cè)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(hào)為零。這就是電容檢測(cè)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(guò)1g。電容式另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可耐高溫達(dá)400oC，溫度對(duì)電容檢測(cè)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(wú)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(cè)元件
?、?熱敏式VSF
熱敏式VSF采用檢測(cè)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(hào)。這種儀表檢測(cè)靈敏度較高，下限流速低，對(duì)振動(dòng)不敏感，可用于清潔、無(wú)腐蝕性流體測(cè)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(cè)方式5），如圖12所示。由圖可見(jiàn)，在管壁上安裝二對(duì)超聲探頭T1，R1，T2，R2，探頭T1，T2發(fā)射高頻、連續(xù)聲信號(hào)，聲波橫穿流體傳播。當(dāng)旋渦通過(guò)聲束時(shí)，每一對(duì)旋轉(zhuǎn)方向相反的旋渦對(duì)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(hào)，經(jīng)放大、檢波、整形后得旋渦信號(hào)。儀表有較高檢測(cè)靈敏度，下限流速較低，但溫度對(duì)聲調(diào)制有影響，流場(chǎng)變化及液體中含氣泡對(duì)測(cè)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(cè)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(cè)方式2），如圖13所示。在旋渦發(fā)生體軸向開(kāi)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(pán)（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(cè)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=CLρU2/2 ?。?）
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qm
qm=ρU（π/4）D2=πD2Sr/2CLmd×F/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(cè)元件取出旋渦信號(hào)，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(hào)；另一路經(jīng)放大器、濾波器獲得信號(hào)幅值與ρU2成正比的信號(hào)。這兩路信號(hào)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(jiǎn)單，但信號(hào)幅值與壓電元件穩(wěn)定性、放大器穩(wěn)定性、現(xiàn)場(chǎng)安裝條件、被測(cè)介質(zhì)溫度等多種因素有關(guān)，測(cè)量精確度難以提高。
?、?差壓式渦街質(zhì)量流量計(jì)
流體通過(guò)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=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(zhì)量流量qm
qm=ρU（π/4）D2=（πD2Sr/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?jiǎn)卧獪y(cè)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(lái)，由于它具有一些突出的特點(diǎn)，受到用戶(hù)歡迎，并得到迅速發(fā)展。像它這樣開(kāi)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(wú)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(wèn)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(hù)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?jī)x表總量中，臺(tái)數(shù)約占3%～5%，每年5萬(wàn)～6萬(wàn)臺(tái)，金額占4%～6%；在我國(guó)銷(xiāo)售臺(tái)數(shù)約占流量?jī)x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1．5萬(wàn)～2萬(wàn)臺(tái)。
2. VSF的口徑選擇
VSF的儀表口徑及規(guī)格選擇很重要，它類(lèi)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(chēng)，組分；
2）工作狀態(tài)的蕞大、常用、蕞小流量；
3）蕞高、常用、蕞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(hào)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qv
qv=qn（pnTZ/pTnZn） m3／h ?。?）
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，m3／h；
P，Pn--分別為工作狀態(tài)和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的絕對(duì)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(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的介質(zhì)密度，kg/m3；
其余符號(hào)同上。
qv =qm／ρ ?。?1）
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(duì)流量下限值進(jìn)行核算。它應(yīng)該滿(mǎn)足 兩個(gè)條件：蕞小雷諾數(shù)不應(yīng)低于界限雷諾數(shù)（ReC＝2×104）和對(duì)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ρU2成比例關(guān)系），對(duì)于液體 還應(yīng)檢查蕞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)下的蕞小體積流量，m3/h；
（qVmin）ρ--滿(mǎn)足旋渦強(qiáng)度要求時(shí)蕞小體積流量，m3/h；
?。╭Vmin）υ--滿(mǎn)足蕞小雷諾數(shù)要求時(shí)蕞小體積流量，m3/h；
ρ，ρ0--分別為工作狀態(tài)和校準(zhǔn)狀態(tài)下介質(zhì)的密度，kg/m3；
υ，υ0--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--蕞小工作壓力，Pa；
△p--蕞大流量時(shí)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(cè)流量范圍為（qVmin）ρ～qVmax，線性范圍為（qVmin）υ～qVmax；
若（qVmin）υ＜（qVmin）ρ，可測(cè)流量范圍和線性范圍為（qVmin）ρ～qVmax。
流量測(cè)量范圍的確定還應(yīng)檢查是否處于儀表的蕞佳工作范圍（即上限流量的1/2～2/3處）。表4示有某型號(hào)渦街流量計(jì)特定校準(zhǔn)條件下各種口徑的流量測(cè)量范圍。
表4 某型號(hào)渦街流量計(jì)特定校準(zhǔn)條件下流量測(cè)量范圍
口徑DN/mm | 液體/（m3/h） | 氣體/（m3/h） |
標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量范圍 | 可選測(cè)量范圍 | 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量范圍 | 可選測(cè)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(zhǔn)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(shí)應(yīng)連接異形管并配置一段必要的直管段長(zhǎng)度。
【例1】空氣流量測(cè)量
⑴ 已知條件
蕞大流量：2000m3/h（20℃,101.325kPa）
蕞小流量：300m3/h（20℃，101.325kPa）
管道內(nèi)徑：80mm
工作壓力：0.5MPa（絕）
工作溫度：60℃
?。?）輔助計(jì)算
（3） 口徑選擇
比較（qV0min）ρ和（qV0min）υ，
?。╭V0min）ρ＞（qV0min）υ
故可測(cè)流量范圍為（qV0min）ρ～qVmax。
即可測(cè)流量范圍為143.7～2000m3/h，由表4查得DN100可滿(mǎn)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。
【例2】熱水流量測(cè)量
?。?）已知條件
蕞大流量：18m3/h
蕞小流量：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：3.32×10-7m2/s
?。?）口徑選擇
比較（qV0min）ρ和（qV0min）υ，
（qV0min）ρ≤（qV0min）υ
可測(cè)流量范圍為（qV0min）ρ～qVmax。查得DN40、ND50皆可滿(mǎn)足要求，選擇DN40更合適些。
（3）檢查壓力損失
蕞大流量時(shí)平均流速Umax為
查生產(chǎn)廠提供的資料得CD：2.2
則 △p=1.1ρU2max=1.1×965×3.982=0.168×105Pa
不發(fā)生氣穴的蕞低工作壓力
p=2.7△pmax+1.3pv=2.7×0.168×105+1.3×0.7149×105=0.138MPa
故由計(jì)算可知不會(huì)發(fā)生氣穴現(xiàn)象。
飽和水蒸氣的流量測(cè)量范圍可由表4所示氣體流量測(cè)量范圍用下式求得
?。?5）
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；
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(cè)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100～1000 m3/h；
2） 由飽和水蒸氣密度表查出0.8MPa時(shí)，ρ=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） | 0.2
120.23
1.129 | 0.3
133.54
1.651 | 0.4
143.62
2.163 | 0.5
151.84
2.669 | 0.6
158.94
3.170 | 0.7
164.96
3.667 | 0.8
170.41
4.162 |
DN20 Qmin
Qmax
可擴(kuò)展蕞大上限 | 11
89
89 | 13
130
130 | 15
150
171 | 16
160
211 | 18
180
250 | 19
190
290 | 20
200
329 |
DN25 Qmin
Qmax
可擴(kuò)展蕞大上限 | 14
140
140 | 17
170
204 | 19
190
267 | 22
220
330 | 23
230
391 | 25
250
453 | 27
270
541 |
DN40 Qmin
Qmax
可擴(kuò)展蕞大上限 | 31
310
357 | 38
380
522 | 44
440
684 | 48
480
844 | 53
530
1003 | 57
570
1160 | 60
600
1317 |
DN50 Qmin
Qmax
可擴(kuò)展蕞大上限 | 52
520
558 | 63
630
816 | 73
730
1069 | 81
810
1320 | 88
880
1568 | 95
950
1813 | 101
1010
2058 |
DN80 Qmin
Qmax
可擴(kuò)展蕞大上限 | 122
1220
1429 | 148
1480
2090 | 170
1700
2738 | 188
1880
3379 | 205
2050
4013 | 221
2210
4642 | 235
2350
5269 |
DN100 Qmin
Qmax
可擴(kuò)展蕞大上限 | 175
1750
2233 | 212
2120
3266 | 242
2420
4278 | 269
2690
5279 | 293
2930
6270 | 315
3150
7254 | 336
3360
8233 |
DN125 Qmin
Qmax
可擴(kuò)展蕞大上限 | 262
2620
3489 | 317
3170
5103 | 363
3630
6685 | 404
4040
8249 | 440
4400
9798 | 473
4730
11334 | 504
5040
12864 |
DN150 Qmin
Qmax
可擴(kuò)展蕞大上限 | 350
3500
5025 | 423
4230
7348 | 484
4840
9627 | 538
5380
11879 | 586
5860
14019 | 631
6310
16321 | 672
6720
15824 |
DN200 Qmin
Qmax
可擴(kuò)展蕞大上限 | 700
7000
8933 | 846
8460
13064 | 969
9690
17115 | 1076
10760
21119 | 1173
11730
25083 | 1261
12610
29016 | 1344
13440
32993 |
DN250 Qmin
Qmax
可擴(kuò)展蕞大上限 | 1050
10500
13958 | 1269
12690
20412 | 1453
14530
26742 | 1641
16410
32998 | 1759
17590
39193 | 1892
18920
45337 | 2016
20160
51457 |
DN300 Qmin
Qmax
可擴(kuò)展蕞大上限 | 1750
17500
20100 | 2116
21160
29394 | 2422
24220
38509 | 2690
26900
47518 | 2932
29320
56438 | 3153
31530
65286 | 3359
33590
74099 |
DN350 Qmin
Qmax
可擴(kuò)展蕞大上限 | 2624
26240
27359 | 3174
31740
4008 | 3632
36320
52415 | 4035
40350
64677 | 4397
43970
76818 | 4730
47300
88862 | 5038
50380
100857 |
DN400 Qmin
Qmax
可擴(kuò)展蕞大上限 | 3149
31490
35734 | 3808
38080
52256 | 4359
43590
68461 | 4842
48420
84477 | 5277
52770
100334 | 5676
56760
116064 | 6047
60470
131732 |
DN500 Qmin
Qmax
可擴(kuò)展蕞大上限 | 4374
43740
55834 | 5289
52890
81650 | 6054
60540
106971 | 6725
67250
131995 | 7329
73290
156772 | 7883
78830
181351 | 8398
83980
205831 |
DN600 Qmin
Qmax
可擴(kuò)展蕞大上限 | 5599
55990
80401 | 6770
67700
117576 | 7749
77490
154038 | 8608
86080
190073 | 9381
93810
225752 | 10089
100890
261146 | 10749
107490
296397 |
絕壓p/MPa
溫度T/oC
密度p/（kg/m3） | 0.9
175.36
4.655 | 1.0
179.88
5.147 | 1.2
187.96
6.127 | 1.4
195.04
7.106 | 1.6
201.37
8.085 | 1.8
207.11
9.065 | 2.0
212.37
10.05 |
DN20 Qmin
Qmax
可擴(kuò)展蕞大上限 | 21
210
368 | 22
220
407 | 24
240
484 | 26
260
562 | 28
280
639 | 30
300
717 | 31
310
794 |
DN25 Qmin
Qmax
可擴(kuò)展蕞大上限 | 28
280
575 | 30
300
636 | 33
330
757 | 35
350
878 | 37
370
999 | 40
400
1120 | 42
420
1242 |
DN40 Qmin
Qmax
可擴(kuò)展蕞大上限 | 64
640
1473 | 67
670
1629 | 73
730
1939 | 79
790
2249 | 84
840
2559 | 89
890
2869 | 94
940
3180 |
DN50 Qmin
Qmax
可擴(kuò)展蕞大上限 | 107
1070
2302 | 112
1120
2545 | 122
1220
3030 | 132
1320
3514 | 140
1400
3998 | 149
1490
4483 | 157
1570
4970 |
DN80 Qmin
Qmax
可擴(kuò)展蕞大上限 | 249
2490
5893 | 261
2610
6515 | 285
2850
7757 | 307
3070
8996 | 328
3280
10235 | 347
3470
11476 | 365
3650
12723 |
DN100 Qmin
Qmax
可擴(kuò)展蕞大上限 | 355
3550
9208 | 374
3740
10181 | 408
4080
12120 | 439
4390
14057 | 468
4680
15993 | 496
4960
17932 | 522
5220
19880 |
DN125 Qmin
Qmax
可擴(kuò)展蕞大上限 | 553
5530
14388 | 560
5600
15908 | 611
6110
18938 | 658
6580
21964 | 702
7020
24990 | 743
7430
28018 | 783
7830
31063 |
DN150 Qmin
Qmax
可擴(kuò)展蕞大上限 | 711
7110
20719 | 747
7470
22909 | 815
8150
27270 | 878
8780
31628 | 936
9360
35985 | 992
9920
40347 | 1044
10440
44732 |
DN200 Qmin
Qmax
可擴(kuò)展蕞大上限 | 1421
14210
36834 | 1494
14940
40727 | 1630
16300
48481 | 1756
17560
56228 | 1873
18730
63794 | 1983
19830
71729 | 2088
20880
79523 |
DN250 Qmin
Qmax
可擴(kuò)展蕞大上限 | 2132
21320
57553 | 2241
22410
63636 | 2445
24450
75752 | 2634
26340
87856 | 2809
28090
99960 | 2974
29740
112077 | 3132
31320
124225 |
DN300 Qmin
Qmax
可擴(kuò)展蕞大上限 | 3553
35530
82876 | 3736
37360
91636 | 4076
40760
109083 | 4389
43890
126513 | 4682
46820
143943 | 4958
49580
1613911 | 5220
52200
178928 |
DN350 Qmin
Qmax
可擴(kuò)展蕞大上限 | 5329
53290
112804 | 5603
56030
124726 | 6114
61140
148457 | 6538
65380
172199 | 7023
70230
195923 | 7436
74360
219671 | 7830
78300
243541 |
DN400 Qmin
Qmax
可擴(kuò)展蕞大上限 | 6395
63950
147336 | 6724
67240
162908 | 7336
73360
193926 | 7901
79010
22491 | 8427
84270
255899 | 8923
89230
286918 | 9396
93960
318094 |
DN500 Qmin
Qmax
可擴(kuò)展蕞大上限 | 8881
88810
230213 | 9339
93390
254544 | 10189
101890
303010 | 10973
109730
351472 | 11705
117050
399843 | 12394
123940
448309 | 13050
130500
497022 |
DN600 Qmin
Qmax
可擴(kuò)展蕞大上限 | 11368
113680
331506 | 11954
119540
366544 | 13042
130420
436335 | 14046
140460
506055 | 14982
149820
575774 | 15864
158640
645565 | 16704
167040
715712 |
3. VSF的精確度
VSF的精確度對(duì)于液體大致在±0.5%R～±2%R，對(duì)于氣體在±l%R～±2%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(guò)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4～5m／s。VSF的正常流量蕞好在正常測(cè)量范圍的1/2～2/3處。
VSF的儀表系數(shù)不受測(cè)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(duì)于解決校驗(yàn)設(shè)備問(wèn)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(hào)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(cè)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(hào)強(qiáng)度與密度成正比。因此信號(hào)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(hào)強(qiáng)度亦不同，電路參數(shù)同樣要改變。因此一臺(tái)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(wèn)題
VSF大量使用已有十余年，使用效果不理想，總結(jié)起來(lái)主要有以下幾點(diǎn)原因。
1）產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)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(lái)，一些生產(chǎn)廠片面追求利潤(rùn)，產(chǎn)品粗制濫造，敗壞了VSF的聲譽(yù)。
2）儀表選型和使用問(wèn)題，用戶(hù)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(wèn)題，安裝不符合規(guī)定要求。
3）現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)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(cè)量低雷諾數(shù)（ReD≤2×104）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(duì)于流體的臟污性質(zhì)要注意。含固體微粒的流體對(duì)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(duì)儀表系數(shù)進(jìn)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?？捎糜诨ゲ蝗芙獾囊阂海ㄈ缬秃退﹥山M分流等。
脈動(dòng)流和旋轉(zhuǎn)流會(huì)對(duì)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???能引起諧振破壞正常工作和設(shè)備，使渦街信號(hào)產(chǎn)生"鎖定（1ock-in）"現(xiàn)象，這時(shí)信號(hào)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(lái)國(guó)內(nèi)外流量測(cè)量工作者已對(duì)VSF在混相流、脈動(dòng)流中的應(yīng)用開(kāi)展許多試驗(yàn)研究，國(guó)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(gòu)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(cè)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(duì)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)管道安裝條件應(yīng)充分重視，遵照生產(chǎn)廠使用說(shuō)明書(shū)的要求執(zhí)行。
VSF可安裝在室內(nèi)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(cè)量液體和氣體時(shí)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(cè)量含液體的氣體流量?jī)x表安裝；
（b） 測(cè)量含氣液體流量?jī)x表安裝
VSF必須保證上、下游直管段有必要的長(zhǎng)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(biāo)準(zhǔn)化，形狀尺寸的差異有多少影響尚待驗(yàn)證；對(duì)各類(lèi)阻流件必要的直管段長(zhǎng)度試驗(yàn)研究尚不夠，即還不成熟，對(duì)比節(jié)流式差壓流量計(jì)，這方面工作還處于初始階段。
圖17 渦街流量計(jì)對(duì)上、下游直管段長(zhǎng)度的要求
（a）一個(gè)90o彎頭；（b）同心擴(kuò)管；（c）同心收縮全開(kāi)閥門(mén)；（d）不同平面兩個(gè)90o彎頭；
（e）調(diào)節(jié)閥半開(kāi)閥門(mén)；（f）同一平面兩個(gè)90o彎頭
傳感器與管道的連接如圖18所示。在與管道連接時(shí)要注意以下問(wèn)題。
圖18 傳感器與管道的連接
1） 上、下游配管內(nèi)徑D與傳感器內(nèi)徑D`相同，其差異滿(mǎn)足下述條件：0.95D≤D`≤1.1D。
2） 配管應(yīng)與傳感器同心，同軸度應(yīng)小于0.05D`。
3） 密封墊不能凸入管道內(nèi)，其內(nèi)徑可比傳感器內(nèi)徑大1～2mm。
4） 如需斷流檢查與清洗傳感器，應(yīng)設(shè)置旁通管道如圖19所示。
圖19 旁通管道示意圖
5） 減小振動(dòng)對(duì)VSF的影響應(yīng)該作為VSF現(xiàn)場(chǎng)安裝的一個(gè)突出問(wèn)題來(lái)關(guān)注。首先在選擇傳感器安裝場(chǎng)所時(shí)盡量注意避開(kāi)振動(dòng)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(dòng)調(diào)整器等是保證獲得高精確度測(cè)量的一個(gè)措施，特別這些裝配在制造廠進(jìn)行更能保證安裝的質(zhì)量，圖21所示為一安裝實(shí)例。
圖21 高精度測(cè)量的配管安裝
電氣安裝應(yīng)注意傳感器與轉(zhuǎn)換器之間采用屏蔽電纜或低噪聲電纜連接，其距離不應(yīng)超過(guò)使用說(shuō)明書(shū)的規(guī)定。布線時(shí)應(yīng)遠(yuǎn)離強(qiáng)功率電源線，盡量用單獨(dú)金屬套管保護(hù)。應(yīng)遵循"一點(diǎn)接地"原則，接地電阻應(yīng)小于10Ω。整體型和分離型都應(yīng)在傳感器側(cè)接地，轉(zhuǎn)換器外殼接地點(diǎn)應(yīng)與傳感器"同地"。
2. 使用注意事項(xiàng)
（1）現(xiàn)場(chǎng)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(mén)、測(cè)壓孔、測(cè)溫孔及接頭應(yīng)無(wú)滲漏現(xiàn)象；
2）管道振動(dòng)情況是否符合說(shuō)明書(shū)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(diào)試
在通電不通流時(shí)轉(zhuǎn)換器應(yīng)無(wú)輸出，瞬時(shí)流量指示為零，累積流量無(wú)變化，否則首先檢查是否因信號(hào)線屏蔽或接地不良，或管道震動(dòng)強(qiáng)烈而引入干擾信號(hào)。如確認(rèn)不是上述原因時(shí)，可調(diào)整轉(zhuǎn)換器內(nèi)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。
（3）通流動(dòng)態(tài)調(diào)試
關(guān)旁通閥，打開(kāi)上下游閥門(mén)，流動(dòng)穩(wěn)定后轉(zhuǎn)換器輸出連續(xù)的脈寬均勻的脈沖，流量指示穩(wěn)定無(wú)跳變，調(diào)閥門(mén)開(kāi)度，輸出隨之改變。否則應(yīng)細(xì)致檢查并調(diào)整電位器直至儀表輸出既無(wú)誤觸發(fā)又無(wú)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(shí)驗(yàn)室條件下校驗(yàn)的，現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)工作條件偏離實(shí)驗(yàn)室條件應(yīng)對(duì)儀表系數(shù)進(jìn)行修正
KVO=f/qv 脈沖數(shù)/m3 （16）
KV=EtEREDKVO（17）
式中 KVO，KV--分別為實(shí)驗(yàn)室條件和現(xiàn)場(chǎng)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(hào)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(yàn)溫度，oC。
雷諾數(shù)修正系數(shù)ER
在擴(kuò)大測(cè)量范圍使用時(shí)，當(dāng)測(cè)量超出規(guī)定的下限雷諾數(shù)時(shí)，應(yīng)對(duì)儀表系數(shù)進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)化，各插關(guān)內(nèi)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
6×103＜Re＜7×103
7×103＜Re＜8×103
8×103＜Re＜9×103 | 1.12
1.08
1.065
1.065 | 9×103＜Re＜104
104＜Re＜1.2×104
1.2×104＜Re＜1.5×104
1.5×104＜Re＜4×104 | 1.047
1.036
1.023
1.011 |
管徑修正系數(shù)ED
配管直徑應(yīng)符合規(guī)定范圍，這時(shí)對(duì)配管與傳感器表體內(nèi)徑的實(shí)際偏差可用管徑修正系數(shù)ED修正之。
ED=（DN/D）2 （19）
式中 DN--傳感器表體實(shí)際內(nèi)徑，mm；
D--配管內(nèi)徑，mm。
| ⑸ 故障現(xiàn)象、原因及排除方法
VSF有多種檢測(cè)方式，傳感器和測(cè)量電路差別也較大，但儀表常見(jiàn)的故障有共性，現(xiàn)列舉若干儀表故障及其對(duì)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(wú)流量時(shí)有輸出信號(hào)1）輸入屏蔽或接地不良，引入電磁干擾2）儀表靠近強(qiáng)電設(shè)備或高頻脈沖干擾源3）管道有較強(qiáng)振動(dòng)4）轉(zhuǎn)換器靈敏度過(guò)高1）改善屏蔽與接地，排除電磁干擾2）遠(yuǎn)離干擾源安裝，采取隔離措施加強(qiáng)電源濾波3）采取減震措施，加強(qiáng)信號(hào)濾波降低放大器靈敏度4）降低靈敏度，提高觸發(fā)電平通電通流后無(wú)輸出信號(hào)1）電源出故障2）輸入信號(hào)線斷線3）放大器某級(jí)有故障4）檢測(cè)元件損壞5）無(wú)流量或流量過(guò)小6）管道堵塞或傳感器被卡死1）檢查電源與接地2）檢查信號(hào)線與接線端子3）檢測(cè)工作點(diǎn)，檢查元器件4）檢查傳感元件及引線，檢查閥門(mén)，增大流量或縮小管徑5）檢查清理管道，清洗傳感器 輸出信號(hào)不規(guī)則不穩(wěn)定1）有較強(qiáng)電干擾信號(hào)2）傳感器被沾污或受潮，靈敏度降低3）傳感器靈敏度過(guò)高4）傳感器受損或引線接觸不良5）出現(xiàn)兩相流或脈動(dòng)流6）管道震動(dòng)的影響7）工藝流程不穩(wěn)定8）傳感器安裝不同心或密封墊凸入管內(nèi)9）上下游閥門(mén)擾動(dòng)10）流體未充滿(mǎn)管道11）發(fā)生體有纏繞物12）存在氣穴現(xiàn)象1）加強(qiáng)屏蔽和接地2）清洗或更換傳感器，提高放大器增益3）降低增益，提高觸發(fā)電平4）檢查傳感器及引線5）加強(qiáng)工藝流程管理，消除兩相流或脈動(dòng)流現(xiàn)象6）采取減震措施7）調(diào)整安裝位置8）檢查安裝情況，改正密封墊內(nèi)徑9）加長(zhǎng)直管段或加裝流動(dòng)調(diào)整器10）更換裝流量傳感器地點(diǎn)和方式11）消除纏繞物12）降低流速，增加管內(nèi)壓力測(cè)量誤差大1）直管段長(zhǎng)度不足2）模擬轉(zhuǎn)換電路零漂或滿(mǎn)量程調(diào)整不對(duì)3）供電電壓變化過(guò)大4）儀表超過(guò)檢定周期5）傳感器與配管內(nèi)徑差異較大6）安裝不同心或密封墊凸入管內(nèi)7）傳感器沾污或損傷8）有兩相流或脈動(dòng)流9）管道泄漏1）加長(zhǎng)直管段或加裝流動(dòng)調(diào)整器2）校正零點(diǎn)和量程刻度3）檢查電源4）及時(shí)送檢5）檢查配管內(nèi)徑，修正儀表系數(shù)6）調(diào)整安裝，修整密封墊7）清洗更換傳感器8）排除兩相流或脈動(dòng)流9）排除泄漏測(cè)量管泄漏1）管內(nèi)壓力過(guò)高2）公稱(chēng)壓力選擇不對(duì)3）密封件損壞4）傳感器被腐蝕1）調(diào)整管壓，更改安裝位置2）選用高一檔公稱(chēng)壓力傳感器3）更換密封件4）采取防腐和保護(hù)措施傳感器發(fā)出異常嘯叫聲1）流速過(guò)高，引起強(qiáng)烈顫動(dòng)2）產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象3）發(fā)生體松動(dòng)1）調(diào)整流量或更換通徑大的儀表2）調(diào)整流量和增加液流壓力3）緊固發(fā)生體 |
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