【正文】 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）精確度為中上水平；4）無可動部件，可靠性高；5）結(jié)構(gòu)簡單牢固，安裝方便，維護費較低；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）。 　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。渦街流體振動現(xiàn)象用于測量研究始于20世紀50年代，如風(fēng)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(nèi)就達到從實驗室樣機到批量生產(chǎn)過程的流量計還絕無僅有。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，無論其理論基礎(chǔ)或?qū)嵺`經(jīng)驗尚較差。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)驗更是需要通過長期應(yīng)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(chǔ)研究工作必須跟上，否則在實用中經(jīng)常會出現(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 工作原理、結(jié)構(gòu)及選擇計算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。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　　管道內(nèi)體積流量qv為 qv=πD2U/4=πD2mdf/4Sr 　　　　　　　　　　 （2） K=f/qv=[πD2md/4Sr]　 　　 　　 （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(guān)外，還與斯特勞哈爾數(shù)有關(guān)。斯特勞哈爾 卡曼渦街數(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)。由圖可見，在ReD=2104～7106范圍內(nèi)，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qVn= P Tn Zn/Pn T Z=f PTn Zn/k Pn T Z　?。?）式中 qVn，qV分別為標準狀態(tài)下（0oC或20oC，）和工況下的體積流量，m3/h；Pn，P分別為標準狀態(tài)下和工況下的絕對壓力，Pa； Tn，T分別為標準狀態(tài)下和工況下的熱力學(xué)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)。 斯特勞哈爾數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系曲線　　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)。但是作為流量計在物料平衡及能源計量中需檢測質(zhì)量流量，這時流量計的輸出信號應(yīng)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(jié)構(gòu)VSF由傳感器和轉(zhuǎn)換器兩部分組成。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、D／A轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器內(nèi)。（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，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(jié)構(gòu)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(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。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。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(yīng)用并不普遍。 渦街流量計（a）單旋渦發(fā)生體（b）雙、多旋渦發(fā)生體 旋渦發(fā)生體 三角柱旋渦發(fā)生體d/D=～。c/D=～。b/d=1～。θ=15o～65o　　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于一個懸臂梁（）。當旋渦產(chǎn)生時，在兩側(cè)形成微小的壓差，使振動體繞支點產(chǎn)生微小變形，從而導(dǎo)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(shè)計時保證了振動體與電極的幾何結(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(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。4. 局限性VSF不適用于低雷諾數(shù)測量（ReD≥2104），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)流動調(diào)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?！　∨c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。5. 傳感器的口徑選擇傳感器的儀表口徑及規(guī)格選擇很重要，它類似于差壓流量計節(jié)流裝置的設(shè)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?！鞲衅鞯妮敵鲂盘柺桥c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(zhì)量流量時，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)和標準狀態(tài)下的體積流量，m3／h； 電容式檢測元件 　 P，Pn分別為工作狀態(tài)和標準狀態(tài)下的絕對壓力，Pa；　　 T，Tn分別為工作狀態(tài)和標準狀態(tài)下的熱力學(xué)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(zhì)的密度ρ和體積流量qv　　　　　　　　　　ρ=ρn（pTnZn/ pnTZ） 　　　　　　　　　　　　　　?。?）式中　　ρ，ρn分別為工作狀態(tài)和標準狀態(tài)下的介質(zhì)密度，kg/m3；　其余符號同上?！　　　　　　　　　　　　　v=qm／ρ 　　　　　　　　　　　　　　　　 （7）式中 qm質(zhì)量流量，kg/h?！　∠旅嫘枰x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(yīng)該滿足 兩個條件：最小雷諾數(shù)不應(yīng)低于界限雷諾數(shù)（ReC＝2104）和對于應(yīng)力式傳感器在下限流量 時旋渦強度應(yīng)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(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，即是否會產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象。　　這些條件用數(shù)學(xué)式可表示如下（810）(qVmin ) ρ= qVminρ0/ρ (qVmin )v=qVminυ/υ0 Pmin=△p+ PV 式中 qVmin，qV0min分別為工作狀態(tài)和校準狀態(tài)下的最小體積流量，m3/h；　?。╭Vmin）ρ滿足旋渦強度要求時最小體積流量，m3/h；　　（qVmin）υ滿足最小雷諾數(shù)要求時最小體積流量，m3/h；　　ρ，ρ0分別為工作狀態(tài)和校準狀態(tài)下介質(zhì)的密度，kg/m3；　　υ，υ0分別為工作狀態(tài)和校準狀態(tài)下介質(zhì)的運動粘度，m2/s；　　Pmin最小工作壓力，Pa；　　△p最大流量時傳感器的壓力損失，Pa，　　　　　　　　　　△p=CD（ρU2/2），CD≈2 （11）　　U管道平均流速，m／s；　　PV工作溫度下液體的飽和蒸氣壓，Pa?！　”容^（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?！　×髁繙y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1/2～2/3處）。 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20～121～156～505～7725～16～188～608～120402～302～4818～18018～310503～503～7030～30030～4808015～15010～17070～70070～123010020～20015～270100～1000100～192012536～36025～450150～1500140～300015050～50040～630200～2000200～4000200100～100080～1200400～4000320～8000250150～1500120～1800600～6000550～11000300200～2000180～25001000～10000800～18000注：校準條件如下：　　1．液體：常溫水，t=20℃，ρ=，υ=106m2/s?！　?．氣體：常溫常壓空氣，t=20℃，P=（絕），ρ= kg/m3，υ=15106m2/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(yīng)連接異形管并配置一段必要的直管段長度。6. VSF的精確度　　VSF的精確度對于液體大致在177。%R～177。2%R，對于氣體在177。l%R～177。2%R，%～%。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）?！　》秶葘捠荲SF的特點，但重要的是下限流量為多少。，氣體為4～5m／s。VSF的正常流量最好在正常測量范圍的1/2～2/3處。　　VSF的儀表系數(shù)不受測量介質(zhì)物性的影響，這是很大的優(yōu)點，可以用一種典型介質(zhì)校驗而應(yīng)用到其他介質(zhì)去，對于解決校驗設(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?！　×硗?，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(zhì)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(zhì)或改變儀表口徑是不可行的。7.