流量计介绍

涡　街　流　量　计

一、 概 述

　　在特定的流动条件下，一部分流体动能转化为流体振动，其振动频率与流速（流量）有确定的比例关系，依据这种原理工作的流量计称为流体振动流量计。目前流体振动流量计有三类：涡街流量计、旋进（旋涡进动）流量计和射流流量计。流体振动流量计具有以下一些特点：
　　1）输出为脉冲频率，其频率与被测流体的实际体积流量成正比，它不受流体组分、密度、压力、温度的影响；
　　2）测量范围宽，一般范围度可达10：1以上；
　　3）精确度为中上水平；
　　4）无可动部件，可靠性高；
　　5）结构简单牢固，安装方便，维护费较低；
　　6）应用范围广泛，可适用液体、气体和蒸气。
　　本文仅介绍涡街流量汁（以下简称VSF或流量计）。
　　VSF是在流体中安放一根（或多根）非流线型阻流体（bluff body），流体在阻流体两侧交替地分离释放出两串规则的旋涡，在一定的流量范围内旋涡分离频率正比于管道内的平均流速，通过采用各种形式的检测元件测出旋涡频率就可以推算出流体的流量。
　　早在1878年斯特劳哈尔（Strouhal）就发表了关于流体振动频率与流速关系的文章，斯特劳哈尔数就是表示旋涡频率与阻流体特征尺寸，流速关系的相似准则。人们早期对涡街的研究主要是防灾的目的，如锅炉及换热器钢管固有频率与流体涡街频率合拍将产生共振而破坏设备。涡街流体振动现象用于测量研究始于20世纪50年代，如风速计和船速计等。60年代末开始研制封闭管道流量计－－涡街流量计，诞生了热丝检测法及热敏检测法VSF。70、80年代涡街流量计发展异常迅速，开发出众多类型阻流体及检测法的涡街流量计，并大量生产投放市场，像这样在短短几年时间内就达到从实验室样机到批量生产过程的流量计还绝无仅有。
　　我国VSF的生产亦有飞速发展，全国生产厂达数十家，这种生产热潮国外亦未曾有过。应该看到，VSF尚属发展中的流量计，无论其理论基础或实践经验尚较差。至今*基本的流量方程经常引用卡曼涡街理论，而此理论及其一些定量关系是卡曼在气体风洞（均匀流场）中实验得出的，它与封闭管道中具有三维不均匀流场其旋涡分离的规律是不一样的。至于实践经验更是需要通过长期应用才能积累。一般流量计出厂校验是在实验室参考条件下进行的，在现场偏离这些条件不可避免。工作条件的偏离到底会带来多大的附加误差至今在标准及生产厂资料中尚不明确。这些都说明流量计的迅速发展需求基础研究工作必须跟上，否则在实用中经常会出现一些预料不到的问题，这就是用户对VSF存在一些疑虑的原因，它亟需探索解决。
　　VSF已跻身通用流量计之列，无论国内外皆已开发出多品种。全系列、规格齐全的产品，对于标准化工作亦很重视，流量计存在一些问题是发展中的正常现象。

二、工作原理与结构

1. 工作原理

　　在流体中设置旋涡发生体（阻流体），从旋涡发生体两侧交替地产生有规则的旋涡，这种旋涡称为卡曼涡街，如图1所示。旋涡列在旋涡发生体下游非对称地排列。设旋涡的发生频率为f，被测介质来流的平均速度为U，旋涡发生体迎面宽度为d，表体通径为D，根据卡曼涡街原理，有如下关系式
　　　　　　　　　　　　　　f=SrU₁/d=SrU/md 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（1）
式中　　U1－－旋涡发生体两侧平均流速，m/s；
　　　　Sr－－斯特劳哈尔数；
　　　　m－－旋涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比
　　　　　　　　

图1 卡曼涡街

　　管道内体积流量qv为
　　　　　　　　　　　　qv=πD²U/4=πD²mdf/4Sr 　　　　　　　　　　　　　　　　(2)
　　　　　　　　　　　　K=f/qv=[πD²md/4Sr]^-1 　　　　　　　　　　　　　　　　 (3)
式中 K－－流量计的仪表系数，脉冲数/m³（P/m³）。
　　K除与旋涡发生体、管道的几何尺寸有关外，还与斯特劳哈尔数有关。斯特劳哈尔数为无量纲参数，它与旋涡发生体形状及雷诺数有关，图2所示为圆柱状旋涡发生体的斯特劳哈尔数与管道雷诺数的关系图。由图可见，在Re_D=2×10⁴～7×10⁶范围内，Sr可视为常数，这是仪表正常工作范围。当测量气体流量时，VSF的流量计算式为
　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　(4)

图2 斯特劳哈尔数与雷诺数关系曲线

式中 q_Vn，q_V－－分别为标准状态下（0^oC或20^oC，101.325kPa）和工况下的体积流量，m³/h；
　　 Pn，P－－分别为标准状态下和工况下的绝对压力，Pa；
　　 Tn，T－－分别为标准状态下和工况下的热力学温度，K；
　　 Zn，Z－－分别为标准状态下和工况下气体压缩系数。
　　由上式可见，VSF输出的脉冲频率信号不受流体物性和组分变化的影响，即仪表系数在一定雷诺数范围内仅与旋涡发生体及管道的形状尺寸等有关。但是作为流量计在物料平衡及能源计量中需检测质量流量，这时流量计的输出信号应同时监测体积流量和流体密度，流体物性和组分对流量计量还是有直接影响的。

2. 结构

　　VSF由传感器和转换器两部分组成，如图3所示。传感器包括旋涡发生体（阻流体）、检测元件、仪表表体等；转换器包括前置放大器、滤波整形电路、D／A转换电路、输出接口电路、端子、支架和防护罩等。近年来智能式流量计还把微处理器、显示通讯及其他功能模块亦装在转换器内。

图3 涡街流量计

（1）旋涡发生体

　　旋涡发生体是检测器的主要部件，它与仪表的流量特性（仪表系数、线性度、范围度等）和阻力特性（压力损失）密切相关，对它的要求如下。
　　1） 能控制旋涡在旋涡发生体轴线方向上同步分离；
　　2） 在较宽的雷诺数范围内，有稳定的旋涡分离点，保持恒定的斯特劳哈尔数；
　　3） 能产生强烈的涡街，信号的信噪比高；
　　4） 形状和结构简单，便于加工和几何参数标准化，以及各种检测元件的安装和组合；
　　5） 材质应满足流体性质的要求，耐腐蚀，耐磨蚀，耐温度变化；
　　6） 固有频率在涡街信号的频带外。
　　已经开发出形状繁多的旋涡发生体，它可分为单旋涡发生体和多旋涡发生体两类，如图4所示。单旋涡发生体的基本形有圆柱、矩形柱和三角柱，其他形状皆为这些基本形的变形。三角柱形旋涡发生体是应用*广泛的一种，如图5所示。图中D为仪表口径。为提高涡街强度和稳定性，可采用多旋涡发生体，不过它的应用并不普遍。

（a）单旋涡发生体

（b）双、多旋涡发生体
图4 旋涡发生体

图5 三角柱旋涡发生体
d/D=0.2～0.3;c/D=0.1～0.2;
b/d=1～1.5;θ=15^o～65^o

⑵ 检测元件

　　流量计检测旋涡信号有5种方式。
　　1） 用设置在旋涡发生体内的检测元件直接检测发生体两侧差压；
　　2） 旋涡发生体上开设导压孔，在导压孔中安装检测元件检测发生体两侧差压；
　　3） 检测旋涡发生体周围交变环流；
　　4） 检测旋涡发生体背面交变差压；
　　5） 检测尾流中旋涡列。
　　根据这5种检测方式，采用不同的检测技术（热敏、超声、应力、应变、电容、电磁、光电、光纤等）可以构成不同类型的VSF，如表1所示。

表1 旋涡发生体和检测方式一览表

⑶ 转换器

　　检测元件把涡街信号转换成电信号，该信号既微弱又含有不同成分的噪声，必须进行放大、滤波、整形等处理才能得出与流量成比例的脉冲信号。
　　不同检测方式应配备不同特性的前置放大器，如表2所列。

表2 检测方式与前置放大器

　　转换器原理框图如图6所示。

图6 转换器原理框图

⑷ 仪表表体

　　仪表表体可分为夹持型和法兰型，如图7所示。

图7 仪表表体

三、 优点和局限性

1. 优点
　　VSF结构简单牢固，安装维护方便（与节流式差压流量计相比较，无需导压管和三阀组等，减少泄漏、堵塞和冻结等）。
　　适用流体种类多，如液体、气体、蒸气和部分混相流体。
　　精确度教高（与差压式，浮子式流量计比较），一般为测量值的（ ±1%～±2%）R。
　　范围宽度，可达10：1或20：1。
　　压损小（约为孔板流量计1/4～1/2）。
　　输出与流量成正比的脉冲信号，适用于总量计量，无零点漂移；
　　在一定雷诺数范围内，输出频率信号不受流体物性（密度，粘度）和组分的影响，即仪表系数仅与旋涡发生体及管道的形状尺寸有关，只需在一种典型介质中校验而适用于各种介质，如图8所示。

图8 不同测量介质的斯特劳哈尔数

　　可根据测量对象选择相应的检测方式，仪表的适应性强。
　　VSF在各种流量计中是一种较有可能成为仅需干式校验的流量计。

2. 局限性

　　VSF不适用于低雷诺数测量（Re_D≥2×10⁴），故在高粘度、低流速、小口径情况下应用受到限制。
　　旋涡分离的稳定性受流速分布畸变及旋转流的影响，应根据上游侧不同形式的阻流件配置足够长的直管段或装设流动调整器（整流器），一般可借鉴节流式差压流量计的直管段长度要求安装。
　　力敏检测法VSF对管道机械振动较敏感，不宜用于强振动场所。
　　与涡轮流量计相比仪表系数较低，分辨率低，口径愈大愈低，一般满管式流量计用于
DN300以下。
　　仪表在脉动流、混相流中尚欠缺理论研究和实践经验。

四、分类与凡种类型产品简介

1. 分类

　　涡街流量计可按下述原则分类。
　　按传感器连接方式分为法兰型和夹装型。
　　按检测方式分为热敏式、应力式、电容式、应变式、超声式、振动体式、光电式和光纤式等。
　　按用途分为普通型、防爆型、高温型、耐腐型、低温型、插入式和汽车专用型等。
　　按传感器与转换器组成分为一体型和分离型。
　　按测量原理分为体积流量计、质量流量计。

2. 几种类型产品简介

　　各类涡街流量计性能比较如表3所示。

表3 不同检测方法涡街流量计比较

注∶√-较好、△-一般、×-差。

　　以下简介几种类型VSF。

　　⑴ 应力式VSF

　　如图9所示，应力式VSF应用检测方式1）～4）（见二、2.），它把检测元件受到的升力以应力形式作用在压电晶体元件上，转换成交变的电荷信号，经电荷放大、滤波、整形后得到旋涡频率信号。压电传感器响应快、信号强、工艺性好、制造成本低、与测量介质不接触、可靠性高。仪表的工作温度范围宽，现场适应性强，可靠性较高，它是目前VSF的主要产品类型。

图9 应力式涡街流量计
1-表头组；2-三角柱；3-表体；4-联轴；5-压板；6-探头；7-密封垫；8-接头；
9-密封垫圈；10-螺栓；11-销；12-铭牌；13-圆螺母；14-支架；15-螺栓

　　但是，它对管道振动较敏感，是其主要缺点，几年来，生产厂家做了大量工作以弥补此缺陷：如对仪表本身结构，检测位置以及信号处理等采取措施；在管道安装减震方式下功夫；向用户提供选点咨询指导等，已经取得一定的进展，当然如测量对象有较强的振动还是不用为好。

　（2）电容式VSF

　　电容式VSF应用检测方式1）、2），安装在涡街流量传感器中的电容检测元件相当于一个悬臂梁（见图10）。当旋涡产生时，在两侧形成微小的压差，使振动体绕支点产生微小变形，从而导致一个电容间隙减少（电容量增大），另一个电容间隙增大（电容量下降），通过差分电路检测电容差值。当管道有振动时，不管振动是何方向，由振动产生的惯性力同时作用在振动体及电极上，使振动体与电极都在同方向上产生变形，由于设计时保证了振动体与电极的几何结构与尺寸相匹配，使它们的变形量一致，差动信号为零。这就是电容检测元件耐振性能好的原因。虽然由于制造工艺的误差，不可能完全消除振动的影响，但大大提高了耐振性能。试验证明，其耐振性能超过1g。电容式另一个优点是可耐高温达400^oC，温度对电容检测元件的影响有两方面：温度使电容间介电常数发生变化和电极的几何尺寸随温度而变，这些导致电容值发生变化，另一方面由于温度升高金属热电子发射造成电容的漏电流增大。试验证明，当温度升高至400^oC时无论电容值变化或漏电流增大都未影响仪表的基本性能。

图10 电容式检测元件

　　⑶ 热敏式VSF

　　热敏式VSF采用检测方式2）、3），如图11所示。旋涡分离引起局部流速变化，改变热敏电阻阻值，恒流电路把桥路电阻变化转换为交变电压信号。这种仪表检测灵敏度较高，下限流速低，对振动不敏感，可用于清洁、无腐蚀性流体测量。

图11 热敏式涡街流量计
R₁₁，R₁₂-热敏电阻

　　⑷ 超声式VSF

　　超声式VSF采用检测方式5），如图12所示。由图可见，在管壁上安装二对超声探头T₁，R₁，T₂，R₂，探头T₁，T₂发射高频、连续声信号，声波横穿流体传播。当旋涡通过声束时，每一对旋转方向相反的旋涡对声波产生一个周期的调制作用，受调制声波被接收探头R₁，R₂转换成电信号，经放大、检波、整形后得旋涡信号。仪表有较高检测灵敏度，下限流速较低，但温度对声调制有影响，流场变化及液体中含气泡对测量影响较大，故仪表适用于温度变化小的气体和含气量微小的液体流量测量。

图12 超声式涡街流量传感器

　　⑸ 振动体式VSF

　　振动体式VSF采用检测方式2），如图13所示。在旋涡发生体轴向开设圆柱形深孔，孔内放置软磁材料制作的轻质空心小球或圆盘（振动体），旋涡分离产生的差压推动振动体上下运动，位于振动体上方的电磁传感器检测出旋涡频率。它只适用于清洁度较高的流体（如蒸汽），可用于极高温（427^oC）及极低温（-268^oC），这是其特点。

图13 振动体式涡街流量计

　　⑹ 升力式涡街质量流量计

　　旋涡分离的同时，旋涡发生体受到流体作用的升力，升力F的大小为
　　　　　　　　　　　　　　F=C_LρU²/2 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（5）
式中 　　C_L-旋涡发生体升力系数。
　　以式（5）除以式（1），经整理后可得质量流量q_m
　　　　　　　　　　　　　　q_m=ρU(π/4)D²=πD²Sr/2C_Lmd×F/f　　　　　　　　　　　 　 （6）
　　由式（6）可看出，质量流量q_m与升力F成正比。图14为原理框图。从压电检测元件取出旋涡信号，经电荷转换器后分两路处理：一路经有源滤波器、施密特整形器和f/V转换器，获得与流速成正比的信号；另一路经放大器、滤波器获得信号幅值与ρU²成正比的信号。这两路信号经除法器运算，获得质量流量。

图14 升力式涡街质量流量计原理框图

　　该方法结构简单，但信号幅值与压电元件稳定性、放大器稳定性、现场安装条件、被测介质温度等多种因素有关，测量精确度难以提高。

　　⑺ 差压式涡街质量流量计

　　流体通过旋涡发生体，产生旋涡分离和尾流震荡，部分能量被消耗和转换，在旋涡发生体前后产生压力损失
　　　　△p=C_DρU²/2 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（7）
式中　　 C_D-涡街流量传感器阻力系数。
　　以式（7）除式（1），经整理后得质量流量q_m
　　　　　　　　　　　　q_m=ρU(π/4)D²=(πD²Sr/2mdC_D)(△p/f) 　　　　　　　　　　　　（8）
　　图15示为差压式涡街质量流量计原理框图，传感器输出与体积流量成正比的频率，差压单元测出旋涡发生体前后特定位置的差压△P，经计算单元计算，获得质量流量q_m。选择阻力特性和流量特性俱佳的旋涡发生体，确定取压孔位置，建立C_D的数学模型是技术关键。

图15 差压式涡街质量流量计

五、选用考虑要点

1. 应用概况

　　VSF自20世纪70年代在工业上应用以来，由于它具有一些突出的特点，受到用户欢迎，并得到迅速发展。像它这样开发只有20多年即已跻身通用流量计之列，在流量计中是少有的。由于应用时间短，无论理论研究或实践经验都比较薄弱，不免出现一些问题，这是不足为怪的。多年实践证明，VSF的选用（选型和使用）是用好流量计的关键环节，因此仪表制造厂应加强售前服务，即帮助用户选型，并在安装投用上给予指导。只要抓住这一环节，该流量计不失为一种性能不错的流量计。
　　20世纪90年代中后期世界范围内VSF在流量仪表总量中，台数约占3%～5%，每年5万～6万台，金额占4%～6%；在我国销售台数约占流量仪表总量（不包括家用燃气表和水 表及玻璃管浮子流量计）的6%～8%，每年1．5万～2万台。

2. VSF的口径选择

　　VSF的仪表口径及规格选择很重要，它类似于差压流量计节流装置的设计计算，要遵循一些原则进行选择。仪表口径选择步骤如下。
　　首先必须明确以下工作参数。
　　1）流体名称，组分；
　　2）工作状态的、常用、*小流量；
　　3）、常用、工作压力和工作温度；
　　4）工作状态介质的粘度。
　　VSF的输出信号是与工作状态的体积流量成正比的，因此如已知气体流量是标准状态体积流量或质量流量时，应把它换算成工作状态下的体积流量q_v
　　　　　　　　　　　　　　q_v=q_n(p_nTZ/pT_nZ_n) m³／h 　　　　　　　　　　　　　　　　（9）
式中 q_v，q_n－－分别为工作状态和标准状态下的体积流量，m³／h；
　　 P，P_n－－分别为工作状态和标准状态下的绝对压力，Pa；
　　 T，T_n－－分别为工作状态和标准状态下的热力学温度，K；
　　 Z，Z_n－－分别为工作状态和标准状态下的气体压缩系数。
　　工作状态下介质的密度ρ和体积流量q_v
　　　　　　　　　　ρ=ρ_n(pT_nZ_n/ p_nTZ) 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(10)
式中　　ρ，ρ_n－－分别为工作状态和标准状态下的介质密度，kg/m³；
　　其余符号同上。
　　　　　　　　　　　　　　q_v =q_m／ρ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（11）
式中 q_m－－质量流量，kg/h。
　　下面需要选择传感器口径。传感器口径选择主要是对流量下限值进行核算。它应该满足 两个条件：*小雷诺数不应低于界限雷诺数（Re_C＝2×10⁴）和对于应力式VSF在下限流量 时旋涡强度应大于传感器旋涡强度的允许值（旋涡强度与升力ρU²成比例关系），对于液体还应检查*小工作压力是否高于工作温度下的饱和蒸气压，即是否会产生气穴现象。
　　这些条件用数学式可表示如下(12-14)
　　　　　　　　　　　　　　
式中 q_Vmin，q_V0min－－分别为工作状态和校准状态下的*小体积流量，m³/h；
　　（q_Vmin）_ρ－－满足旋涡强度要求时*小体积流量，m³/h；
　　（q_Vmin）_υ－－满足*小雷诺数要求时*小体积流量，m³/h；
　　ρ，ρ₀－－分别为工作状态和校准状态下介质的密度，kg/m³；
　　υ，υ₀－－分别为工作状态和校准状态下介质的运动粘度，m²/s；
　　P_min－－*小工作压力，Pa；
　　△p－－流量时传感器的压力损失，Pa，
　　　　　　　　　　△p=C_D（ρU²/2），C_D≈2
　　U－－管道平均流速，m／s；
　　P_V－－工作温度下液体的饱和蒸气压，Pa。
　　比较（q_Vmin）_ρ，和（q_Vmin）_υ：
　　若（q_Vmin）_υ≥（q_Vmin）_ρ，可测流量范围为（q_Vmin）_ρ～q_Vmax，线性范围为（q_Vmin）_υ～q_Vmax；
　　若（q_Vmin）_υ＜（q_Vmin）_ρ，可测流量范围和线性范围为（q_Vmin）_ρ～q_Vmax。
　　流量测量范围的确定还应检查是否处于仪表的*佳工作范围（即上限流量的1/2～2/3处）。表4示有某型号涡街流量计特定校准条件下各种口径的流量测量范围。

表4 某型号涡街流量计特定校准条件下流量测量范围

注：校准条件如下：
　　1．液体：常温水，t=20℃，ρ=998.2kg/m³，υ=1.006×10^-6m²/s。
　　2．气体：常温常压空气，t=20℃，P=0.1MPa（绝），ρ=1.205 kg/m³，υ=15×10^-6 m²/s。

　　根据上述原则选择的仪表口径不－定与管道通径相一致，如不同时应连接异形管并配置一段必要的直管段长度。

　　【例1】空气流量测量

　　 ⑴ 已知条件

　　 流量：2000m³/h（20℃,101.325kPa）
　　 *小流量：300m³/h（20℃，101.325kPa）
　　 管道内径：80mm
　　 工作压力：0.5MPa（绝）
　　 工作温度：60℃

　　（2）辅助计算
　　　　
　　　　

　　 (3) 口径选择
　　　　
　　比较（q_V0min）_ρ和（q_V0min）_υ，
　　　　　　　　　　　　　　　　（q_V0min）_ρ＞（q_V0min）_υ
　　故可测流量范围为（q_V0min）_ρ～q_Vmax。
　　即可测流量范围为143.7～2000m³/h，由表4查得DN100可满足要求，这样VSF口径与管道通径不一致，应设置异径管（扩散管）并配置一段直管段。

　　【例2】热水流量测量

　　（1）已知条件

　　流量：18m³/h
　　*小流量：6 m³/h
　　工作压力：0.25MPa
　　工作温度：90℃
　　介质密度：965 kg/m³
　　介质粘度：3.32×10^-7m²/s

　　（2）口径选择
　　　　
　　比较（q_V0min）_ρ和（q_V0min）_υ，
　　　　　　　　　　　　　　　　（q_V0min）_ρ≤（q_V0min）_υ
　　可测流量范围为（q_V0min）_ρ～q_Vmax。查得DN40、ND50皆可满足要求，选择DN40更合适些。

　　（3）检查压力损失

　　流量时平均流速U_max为
　　　　
　　查生产厂提供的资料得C_D：2.2
　　则 △p=1.1ρU²_max=1.1×965×3.98²=0.168×10⁵Pa
　　不发生气穴的工作压力
　　　　　　　　p=2.7△p_max+1.3pv=2.7×0.168×10⁵+1.3×0.7149×10⁵=0.138MPa
　　故由计算可知不会发生气穴现象。
　　饱和水蒸气的流量测量范围可由表4所示气体流量测量范围用下式求得
　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　(15)
式中 q_m－－水蒸气的质量流量，t/h；
　　 q_v空－－空气的体积流量，m³/h；
　　 ρ－－水蒸气的密度，kg/m³；
　　 ρ₀－－空气的密度，ρ₀=1.205 kg/m³。
　　饱和水蒸气的流量测量范围如表5所示。
　　试计算DN100饱和水蒸气0.8MPa时的流量范围。
　　1） 由表4查得DN100流量范围100～1000 m³/h；
　　2） 由饱和水蒸气密度表查出0.8MPa时，ρ=4.162 kg/m³；
　　3） 计算得
　　　　

表5 饱和水蒸气质量流量范围　　　　　　 单位：（kg/ h）

3. VSF的精确度

　　VSF的精确度对于液体大致在±0.5%R～±2%R，对于气体在±l%R～±2%R，重复性一般为0.2%～0.5%。由于VSF的仪表系数较低，频率分辨率低，口径愈大愈低，故仪表口径不宜过大（DN300以下）。
　　范围度宽是VSF的特点，但重要的是下限流量为多少。一般液体平均流速下限为0.5m/s，气体为4～5m／s。VSF的正常流量在正常测量范围的1/2～2/3处。
　　VSF的仪表系数不受测量介质物性的影响，这是很大的优点，可以用一种典型介质校验而应用到其他介质去，对于解决校验设备问题提供便利。但是应该看到由于液、气的流速范围差别很大，因此频率范围亦差别很大。处理涡街信号的放大器电路中，滤波器的通带不同，电路参数亦不同，因此，同一电路参数是不能用于不同测量介质的。介质改变，电路参数亦应随之改变。
　　另外，气体和液体的密度差别很大，旋涡分离时产生的信号强度与密度成正比。因此信号强度差别亦很大，液、气放大器电路的增益，触发灵敏度等皆不一样，压电电荷差别大，电荷放大器的参数也不同。即使同为气体（或液体、蒸汽）随着介质压力、温度不同，密度不同，使用的流量范围不同，信号强度亦不同，电路参数同样要改变。因此一台VSF不经硬件或软件修改，改变使用介质或改变仪表口径是不可行的。

4. 主要问题

　　VSF大量使用已有十余年，使用效果不理想，总结起来主要有以下几点原因。
　　1）产品质量问题，设计原理或设计方案有严重缺陷，产品材料、工艺质量不良。尤其近年来，一些生产厂片面追求利润，产品粗制滥造，败坏了VSF的声誉。
　　2）仪表选型和使用问题，用户给定工艺参数不准确，使得选型不当；安装地点选择有问题，安装不符合规定要求。
　　3）现场调整问题，现场投运缺乏调整或调整不当，正确的调整是用好的关键。

5. 适用的情况

　　VSF不适用于测量低雷诺数（Re_D≤2×10⁴）流体。低雷诺数时斯特劳哈尔数随着雷诺数而变，仪表线性度变差，流体粘度高会显著影响甚至阻碍旋涡的产生，选型的一个限制条件是不能使用于界限雷诺数之下。
　　VSF适用的流体比较广泛，但对于流体的脏污性质要注意。含固体微粒的流体对旋涡发生体的冲刷会产生噪声，磨损旋涡发生体。若含有的短纤维缠绕在旋涡发生体上将改变仪表系数。
　　VSF在混相流体中的应用经验还少，一般可用于含分散、均匀的微小气泡，但容积含气率应小于7%～10%的气、液两相流，若超出2%就应对仪表系数进行修正。可用于含分散、均匀的固体微粒，含量不大于2%的气固、液固两相流。可用于互不溶解的液液（如油和水）两组分流等。
　　脉动流和旋转流会对VSF产生严重影响。如果脉动频率与涡街频率频带合拍可能引起谐振破坏正常工作和设备，使涡街信号产生"锁定（1ock-in）"现象，这时信号固定于某一频率。"锁定"与脉动幅值、旋涡发生体形状及堵塞比等有关。VSF的正常工作的脉动阈值尚待试验确定。80年代以来国内外流量测量工作者已对VSF在混相流、脉动流中的应用开展许多试验研究，标准化组织（ISO）已发布的技术报告中亦关注这方面内容。

6. 经济性

　　在众多的流量计中，VSF的经济性较好，是一种经济实惠的流量计。VSF的基本性能处于中等偏上水平，购置费低于质量式、电磁式、容积式等，而安装、运行、维护费低于节流式、容积式、涡轮式等，如仅作为控制系统检测仪表可采用干校方式节省周期校验费用。

六、 安装使用注意事项

1. 安装注意事项

　　VSF属于对管道流速分布畸变、旋转流和流动脉动等敏感的流量计，因此，对现场管道安装条件应充分重视，遵照生产厂使用说明书的要求执行。
　　VSF可安装在室内或室外。如果安装在地井里，有水淹的可能，要选用涎水型传感器。传感器在管道上可以水平、垂直或倾斜安装，但测量液体和气体时为防止气泡和液滴的干扰，安装位置要注意，如图16所示。

图16 混相流体的安装
（a） 测量含液体的气体流量仪表安装；
（b） 测量含气液体流量仪表安装

　　VSF必须保证上、下游直管段有必要的长度，如图17所示。在各种资料中数据有差异，其原因可能是，旋涡发生体尚未标准化，形状尺寸的差异有多少影响尚待验证；对各类阻流件必要的直管段长度试验研究尚不够，即还不成熟，对比节流式差压流量计，这方面工作还处于初始阶段。

图17 涡街流量计对上、下游直管段长度的要求
（a）一个90^o弯头；（b）同心扩管；（c）同心收缩全开阀门；（d）不同平面两个90^o弯头；
（e）调节阀半开阀门；（f）同一平面两个90^o弯头

　　传感器与管道的连接如图18所示。在与管道连接时要注意以下问题。

图18 传感器与管道的连接

　　1） 上、下游配管内径D与传感器内径D`相同，其差异满足下述条件：0.95D≤D`≤1.1D。
　　2） 配管应与传感器同心，同轴度应小于0.05D`。
　　3） 密封垫不能凸入管道内，其内径可比传感器内径大1～2mm。
　　4） 如需断流检查与清洗传感器，应设置旁通管道如图19所示。

图19 旁通管道示意图

　　5） 减小振动对VSF的影响应该作为VSF现场安装的一个突出问题来关注。首先在选择传感器安装场所时尽量注意避开振动源。其次采用弹性软管连接在小口径中可以考虑。第三，加装管道支撑物是有效的减振方法，一种管道支撑方法如图20所示。

图20 安装管道支持举例

　　成套安装，包括前后直管段，流动调整器等是保证获得高精确度测量的一个措施，特别这些装配在制造厂进行更能保证安装的质量，图21所示为一安装实例。

图21 高精度测量的配管安装

　　电气安装应注意传感器与转换器之间采用屏蔽电缆或低噪声电缆连接，其距离不应超过使用说明书的规定。布线时应远离强功率电源线，尽量用单独金属套管保护。应遵循"一点接地"原则，接地电阻应小于10Ω。整体型和分离型都应在传感器侧接地，转换器外壳接地点应与传感器"同地"。

2. 使用注意事项

　　（1）现场安装完毕通电和通流前的检查

　　1）主管和旁通管上各法兰、阀门、测压孔、测温孔及接头应无渗漏现象；
　　2）管道振动情况是否符合说明书规定；
　　3）传感器安装是否正确？各部分电气连接是否良好？

　　（2）接通电源静态调试

　　在通电不通流时转换器应无输出，瞬时流量指示为零，累积流量无变化，否则首先检查是否因信号线屏蔽或接地不良，或管道震动强烈而引入干扰信号。如确认不是上述原因时，可调整转换器内电位器，降低放大器增益或提高整形电路触发电平，直至输出为零。

　　（3）通流动态调试

　　关旁通阀，打开上下游阀门，流动稳定后转换器输出连续的脉宽均匀的脉冲，流量指示稳定无跳变，调阀门开度，输出随之改变。否则应细致检查并调整电位器直至仪表输出既无误触发又无漏脉冲为止。如仪表有故障可参照表7解决。

　　（4）仪表系数修正

　　VSF的仪表系数是在实验室条件下校验的，现场使用时工作条件偏离实验室条件应对仪表系数进行修正
　　　　K_VO=f/q_v 脉冲数/m³ (16)
　　　　K_V=E_tE_RE_DK_VO(17)
式中 K_VO，K_V－－分别为实验室条件和现场工作条件下的仪表系数；
　　 E_t－－温度修正系数；
　　 E_R－－雷诺数修正系数；
　　 E_D－－管径修正系数。
　　其余符号同前。
　　温度修正系数E_t
　　　　　　　　　　E_t=1/[1+(2α_b+α_x)(t-t_o)] （18）
式中 α_b，α_x－－分别为传感器表体和旋涡发生体的材料线膨胀系数，（^oC·mm）^-1；
　　 t，t_o－－分别为工作温度和校验温度，^oC。
　　雷诺数修正系数E_R
　　在扩大测量范围使用时，当测量超出规定的下限雷诺数时，应对仪表系数进行雷诺数修正，表6是某厂提供的数据（由于旋涡发生体未标准化，各插关内数据可能有差异）。

表6 雷诺数修正系数ER

　　管径修正系数E_D
　　配管直径应符合规定范围，这时对配管与传感器表体内径的实际偏差可用管径修正系数E_D修正之。
　　　　　　　　　　　　　　E_D=（DN/D）2 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（19）
式中 DN－－传感器表体实际内径，mm；
　　D－－配管内径，mm。

⑸ 故障现象、原因及排除方法

　　VSF有多种检测方式，传感器和测量电路差别也较大，但仪表常见的故障有共性，现列举若干仪表故障及其对策如表7所示。

表7 故障处理

七、标准和检定规程

　　虽然VSF在通用流量计中是很年轻的流量计，我国早在80年代就制订了VSF专业标准（ZBN 12008-89）和检定规程JJG 620-89，说明它受到行业的重视。专业标准于1998年进行了修订，改变为JB/T 9249-1999。检定规程则与其他速度式流量计的坚定规程合并为一个新的检定规程JJG 198-94，不过由于新规程包括了众多种类速度式流量计（达8种之多！），在规定中VSF的一些特点就难以照顾到了，因此感觉有的规定不具体或完全没有规定，执行起来有些困难。JJG 620-89还有一定参考价值。

　　国外对VSF标准制订亦很重视，90年代初标准化组织（ISO）即成立起草工作组起草VSF标准，1993年提出委员会草案（ISO/CD 12764），至1997年颁布为技术报告（ISO/TR 12764：1997）。由于种种原因ISO把不宜作为标准的一些文件列为技术报告，例如得不到足够支持率的文件，技术尚在发展还不够成熟或作为参考资料提供等等，看来VSF文件还不够成熟暂时尚不能作为标准发布。工业发达国家如美、日皆制订有VSF国家标准（ASME/ANSI MFC-6M-1987和JIS Z8766-1989）。

参考文献

1. 川田裕郎等，流量测量手册。北京：计量出版社，1982
2. JB/T 9249-1999 涡街流量传感器
3. JJG 198-94 速度式流量计检定规程
4. ASME/ANSI MFC-6M-1987 Measurement of Fluid Flow in Pipes Using Vortex Flow Meters
5. JIS Z8766-1989 涡流量计によゐ流量测定方法
6. 刘欣荣 流量计 北京：水利电力出版社，1990
7. Miller，R.W著 流量测量工程手册 孙延祚译 北京：机械工业出版社，1990
8. ISO/TR 12764：1997 Measurement of fluid flow in closed conduits-Flowrate measurement by 　 mean of Vortex shedding flowmeters inserted in circular cross-section Conduits running 　　 full
9. 姜仲霞 流体振动流量计 世界仪表与自动化 1997，1（1）：48，1997，1（2）：37
10. 孙淮清 姜仲霞 涡街流量计㈠，㈡。自动化仪表 1998，（9）：43，1998（10）：42
11. 上海鹤吉自动化仪表有限公司、菲波公司、上海华强仪表有限公司、YOKOGAWA、Endresst Hauser、北京博思达仪器仪表有限公司等　　产品样本和使用说明书

原创作者：常州市瑞明仪表有限公司