渦街流量計(jì)工作原理與結(jié)構(gòu)

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(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(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，開發(fā)出眾多類型阻流體及檢測(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)過程的流量計(jì)還絕無僅有。
　　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。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(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(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，無論國(guó)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(duì)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(duì)稱地排列。設(shè)旋渦的發(fā)生頻率為f，被測(cè)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=πD2U/4=πD2mdf/4Sr 　　　　　　　　　　　　　　　　（2）
　　　　　　　　　　　　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=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，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=0.2～0.3;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)生體周圍交變環(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)?/div>	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)?/div>
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)?/div>
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

　　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(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(jiǎn)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(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(cè)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(jiǎn)介

　　各類渦街流量計(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
 

　　以下簡(jiǎn)介幾種類型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(duì)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(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(cè)量對(duì)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(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(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

　　⑶ 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

　　⑷ 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，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

　　⑸ 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(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)

　　⑹ 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 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（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。

　　⑺ 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=CDρU2/2 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（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，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?jī)x表總量中，臺(tái)數(shù)約占3%～5%，每年5萬～6萬臺(tái)，金額占4%～6%；在我國(guó)銷售臺(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1．5萬～2萬臺(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(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 　　　　　　　　　　　　　　　　（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，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 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（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(duì)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)（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）ρ--滿足旋渦強(qiáng)度要求時(shí)最小體積流量，m3/h；
　　（qVmin）υ--滿足最小雷諾數(shù)要求時(shí)最小體積流量，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--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（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最佳工作范圍（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
 

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

　　 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）ρ和（qV0min）υ，
　　　　　　　　　　　　　　　　（qV0min）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

　　（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：3.32×10-7m2/s

　　（2）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=1.1ρU2max=1.1×965×3.982=0.168×105Pa
　　不發(fā)生氣穴的最低工作壓力
　　　　　　　　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
　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　（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；
　　 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