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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

　　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）工作状态的最大、常用、最小流量；
　　3）最高、常用、最低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：最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 还应检查最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最小体积流量，m³/h；
　　（q_Vmin）_ρ--满足旋涡强度要求时最小体积流量，m³/h；
　　（q_Vmin）_υ--满足最小雷诺数要求时最小体积流量，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--最小工作压力，Pa；
　　△p--最大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最佳工作范围（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

　　 最大流量：2000m³/h（20℃,101.325kPa）
　　 最小流量：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

　　最大流量：18m³/h
　　最小流量：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

　　最大流量时平均流速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
　　不发生气穴的最低工作压力
　　　　　　　　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