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各种流量计总结

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（bluffbody），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。

至今最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ReD=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qVn，qV--分别为标准状态下（0oC或20oC，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最广泛的一种，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=15o～65o

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

序号

旋涡发生体截面形状

传感器

序号

旋涡发生体截面形状

传感器

检测方式

检测元件

检测方式

检测元件

方式5）

超声波束

方式2）

反射镜/光电元件

方式2）

方式3）

方式5）

方式1）

悬臂梁/电容，悬臂梁/压电片

热敏元件

超声波束

应变元件

方式5）

膜片/压电元件

方式3）

扭力管/压电元件

方式1）

方式2）

压电元件

方式4）

扭力管/压电元件

方式1）

方式2）

膜片/电容

热敏元件

振动体/电磁传感器

方式4）

振动片/光纤传感器

方式5）

超声波束

方式1）

膜片/静态电容

方式2）

应变元件

方式1）

磁致伸缩元件

方式1）

压电元件

方式1）

膜片/压电元件

方式4）

应变元件

方式2）

热敏元件

方式5）

超声波束

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

检测方法

热敏式

超声式

应变式

应力式

电容式

光电式

电磁式

前置放大器

恒流放大器

选频放大器

恒流放大器

电荷放大器

调谐-振动放大器

光电放大器

低频放大器

　　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（ReD≥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

名称

检测变化量

检测技术

口径/mm

介质温度/oC

范围度

雷诺数范围

简单程度

牢固程度

灵敏度

耐热性

耐振性

耐污能力

应用范围

检测原理

检测元件

热敏式涡街流量计

流

速

变

化

加热体冷却

热敏元件

25～200

-196～+205

15～30

104～106

△

√

清洁、无腐蚀液体、气体

超声式涡街流量计

声束被调制

超声换能器

25～150

-15～+175

3×103～106

△

√

△

√

小口径液体、气体

电容式涡街流量计

压

力

变化

压差作用

压差检测

膜片/电容

15～300

-200～+400

104～106

△

√

△

液体、气体、蒸汽

应力式涡街流量计

压差检测

膜片/压电片

50～200

-18～+205

104～106

△

√

液体、气体、蒸汽

振动体式涡街流量计

压差检测

圆盘/电磁

50～200

-268～-48

10～30

5×103～106

√

△

√

极低温液态气体

棱球/电磁

-40～+427

高温蒸汽

光电式涡街流量计

压差检测

反射镜/光电元件

40～80

-10～+50

3×103～105

√

△

√

低压常温气体

应变式涡街流量计

升力作用

应变检测

应变元件

50～150

-40～120

104～3×106

△

√

△

√

液体

应力式涡街流量计

应力检测

压电元件

15～300

-40～+400

10～20

104～7×106

√

液体、气体、蒸汽

注∶√-较好、△-一般、×-差。

超声波流量计相关介绍

产品简介

目前，国际上多家跨国公司投入大量资金戌超声波流量计，先进的测量方法——时差法得到进一步应用，使超声波流量计近几年在国际上得到飞速发展。

我国从仿制国外的技术起步，虽有一些企业已在生产超声波流量计，但技术上与国际的先进水平相比仍有一定的差距。

超声波的特点

1.超声波流量计可作非接触测量，无需集流截管安装，因此可作移动性测量即便携式，适用于管网流动状况评估测定。

安装方便费用低且不影响正常生产。

2.无额外压力损失，可测量非导电性液体，是水厂和污水处理计量首选仪表，是对电磁流量计的一种补充。

超声波流量计的仪表系数可从实际测量管道及声道几何尺寸计算求得的，可采用干法标定。

3.其造价基本上与管径无关。

对大型管道带来方便，并且在许多无法实现流量校验的现场可俦考虑选择超声波流量计。

4.可视菜单式界面操作，使用更方便简捷，功能更强大。

5.记录功能：

日、月、年流量累计功能可记录前64天、前64月、前5年的累计流量；上断电管理功能可记录前64次上电和断电时间。

6.优化的智能信号自适应处理，无需任何电路调整，并加快了流量的响应时间，精度理高更方便。

7.采用特殊设计及工艺，强抗干扰性，可适用工业环境。

便携式超声波流量计带有自动充电的机畜电池，可连续工作8小时。

产品功能：

测量水、海水、酸碱液、食物油、汽煤柴油、原油、酒精等，广泛用于自来水、环保、发电厂供暖、冶金、矿山、石油、化工、食品、医药、造纸、钢铁等工矿企业，并应用于节能监测，流量网络监控等。

测量原理：

当超声波在液体中传播时，探头1发射的超声波脉冲被探头2所接收，同时，探头2也发射超声脉冲，探头1接收，则顺流方向声波传播速度会增大，逆流方向则减小，同一传播距离就有不同的传播时间，利用传播时间之差与被测流速之关系求取流速，进而得出流量，其关系式如下：

如何正确选型：

仪表的选型是仪表应用中非常重要的工作，有关资料表明，仪表在实际应用中有相当多的故障是仪表的错误选型的安装而造成的，请特别注意。

收集数据

1、被测流体名称

2、最大流量、最小流量

3、最高工作压力（插入式探头有此要求）

4、最高温度、最低温度

5、管道材料

6、管道内衬材料（如有）

7、管外径（或管壁厚度），管内径

确认管径与流量（流速范围0.1-12m/s）,（扩展流速0-30m/s）

如何选择防护等级：

探头安装在现场管道上，根据周围环境不同，防护等级有以下2种：

●IP65：

防喷水型，允许水龙头从任何地方向对传感器喷水，喷水压力为30KPa，出水量为12.5L/s，距离为3m。

●IP68：

潜水型，长期工作在水中。

防护等级应根据实际情况来选择，探头安装在地面以下，如经常受水淹，应选用IP68，探头器安装在地面以上，用选用IP65

如何选择安装方式：

超声波探头共有V方式，Z方式和插入式三种安装方式

●V方式（声波反射式）当管道为新管道，内无污垢锈蚀现象，且管径较小，DN<150时，建议采用V方式安装探头。

●Z方式（声波直传式）当管道为新管道，内无污垢锈蚀现象，且管径较大，DN>120时，建议采用Z方式安装探头。

●插入式

运用于：

1.管道内壁锈蚀或结垢严重；2.钢管内衬沙浆水泥等；3.水泥管；4.铸铁管等

●探头外帖式有V方式和Z方式两种，插入式探头安装方式一般用Z方式。

●V方式和Z方式如下图所示：

如何选择测量点：

超声波流量计的安装在所有的流量计安装中是最为方便简捷的，但为了保证测量精度，测量点应选择管路部分，一般应遵循下列原则：

1、选择充满液体的直管段，如管路的垂直段（流向由下向上为好）或充满液体的水平管道（整个管路中最低处为好），在安装与测量过程中，不得出现非满管情况；

2、测量位置应选在探头上游有大于10D和下游有5D直管段处；

3、测量点选择应尽可能远离泵、阀门等设备，避免其对测量的干扰；

4、测量点选择应尽可能远离大功率电台，强磁场干扰源等；

5、充分考虑管内结垢状况，昼选择无结垢的管段进行测量，结垢严重时，应选择插入式探头。

6、选择管路管材应均匀密实，易于超声波传播处；

7、管段初步安装位置选择好后，用手砂或钢锉将金属管表面打磨3倍的探头面积（约100mm范围），去掉锈迹油漆，使管壁表面光滑平整，注意，表面应光泽均匀，无起伏不平，与原管道有相同的弧度，切忌将安装点打磨成平面，最后用酒精或汽油清洗干净。

安装直管段选择：

●应安装在水平管道较低处和垂直向上处，避免安装在管道的最高点和垂直向下处

●应安装在管道的上升处

●在开口排放的管道安装，应安装在管道的较低处

●若管道落差超过5m，在传感器的下游安装排气阀

●应在传感器的下游安装控制阀和切断阀，而不应安装在传感器上游

●传感器绝对不能安装在泵的进口处，应安装在泵的出口处

插入式探头的安装：

一、安装场地

　　安装插入式探头需要较大的空间，在仪表井中管壁到墙壁之间的距离至少540mm以上。

即宽度W>（D+540X2）mm，水泥管路W>（D+700X2）mm（如图1）

纵向管道长度L>（D+1000）mm

　　安装超声波流量计需要一定的直管段，一般上游大于10D，下游大于5D（D为直径），距泵出口或阀门处要大于30D。

二、安装工具

　　安装插入式探头需要专用开孔定位工具、400w手电钻（最好是可高层调速）及大扳手和生料带等。

输入参数

主机初始设置子菜单中

M23菜单中需选择第5项，即“5、插入B型探头”

M24菜单中选择第1项，即“1、Z法安装”

M25菜单中所示内容即为安装距离，这个距离是指两个插入式探头的中心沿管轴方向上的距离。

（如图2）

安装步骤

1、确定两探头距离

将管道参数输入主机，计算出安装距离（由于采用插入式探头，建议均使用直接测量方式，即Z安装方式）定出两个探头的位置，安装距离为两个探头的中心距。

注意：

两个探头一定要保证在同一轴面上。

　　制作定位纸：

取一条长4D（D为管径），宽200mm（或D）的矩形纸带，在距边缘约100mm处划一条线；（如图3）

　　将定位纸缠绕在已表面清理干净的管道上，注意要把纸两边互相重合对齐，才能使所划的线与管轴相平行；（如图4）

延长定位纸上的直线在管道上划一直线；（如图5）

所划直线与定位纸一边缘相交点为A；（如图6）

　　从A点开始，沿着定位纸边边缘量出管道1／2周长，该点为C，在C点划一条与定位纸边缘垂直的直线；（如图7）

　　去掉定位纸，从点C开始，在所划直线上量出安装距离L，从而决定出B点。

这样A、B两点为安装位置；例如L=280mm

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电磁流量计相关介绍

1.概述

　　电磁流量计（以下简称EMF）是利用法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电液体体积流量的仪表。

50年代初EMF实现了工业化应用，近年来世界范围EMF产量约占工业流量仪表台数的5%～6.5%。

　　70年代以来出现键控低频矩形波激磁方式，逐渐替代早期应用的工频交流激磁方式，仪表性能有了很大提高，得到更为广泛的应用。

2.原理与机构

EMF的基本原理是法拉第电磁感应定律，即导体在磁场中切割磁力线运动时在其两端产生感应电动势。

如图1所示，导电性液体在垂直于磁场的非磁性测量管内流动，与流动方向垂直的方向上产生与流量成比例的感应电势，电动势的方向按“弗来明右手规则”，其值如下式

式中E-----感应电动势，即流量信号，V;

k-----系数；

B-----磁感应强度，T；

D----测量管内径，m；

---平均流速，m/s。

设液体的体积流量为

，则?

式中K为仪表常数，K=4KB/πD。

　　EMF由流量传感器和转换器两大部分组成。

传感器典型结构示意如图2，测量管上下装有激磁线圈，通激磁电流后产生磁场穿过测量管，一对电极装在测量管内壁与液体相接触，引出感应电势，送到转换器。

激磁电流则由转换器提供。

3、优点

EMF的测量通道是一段无阻流检测件的光滑直管，因不易阻塞适用于测量含有固体颗粒或纤维的液固二相流体，如纸浆、煤水浆、矿浆、泥浆和污水等。

　　EMF不产生因检测流量所形成的压力损失，仪表的阻力仅是同一长度管道的沿程阻力，节能效果显著，对于要求低阻力损失的大管径供水管道最为适合。

　　EMF所测得的体积流量，实际上不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率（只要在某阈值以上）变化明显的影响。

　　与其他大部分流量仪表相比，前置直管段要求较低。

　　EMF测量范围度大，通常为20：

1～50：

1，可选流量范围宽。

满度值液体流速可在0.5～10m/s内选定。

有些型号仪表可在现场根据需要扩大和缩小流量（例如设有4位数电位器设定仪表常数）不必取下作离线实流标定。

　　EMF的口径范围比其他品种流量仪表宽，从几毫米到3m。

可测正反双向流量，也可测脉动流量，只要脉动频率低于激磁频率很多。

仪表输出本质上是线性的。

　　易于选择与流体接触件的材料品种，可应用于腐蚀性流体。

4、缺点

EMF不能测量电导率很低的液体，如石油制品和有机溶剂等。

不能测量气体、蒸汽和含有较多较大气泡的液体。

　　通用型EMF由于衬里材料和电气绝缘材料限制，不能用于较高温度的液体；有些型号仪表用于过低于室温的液体，因测量管外凝露（或霜）而破坏绝缘。

5、分类

　　市场上通用型产品和特殊型仪表可以从不同角度分类。

　　如按激磁电流方式划分，有直流激磁、交流（工

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