流量计的概述

在特定的流动条件下，有一部分流体的动能会转化为流体的振动。这种振动的频率与流速（流量）之间存在确定的比例关系。依据这样的原理来工作的流量计，就被称为流体振动流量计。

目前流体振动流量计存在三种类型。其中一种是涡街流量计。还有一种是旋进（旋涡进动）流量计。另外一种是射流流量计。

流体振动流量计具有以下一些特点：

输出的是脉冲频率，该频率与被测流体的实际体积流量呈正比，并且它不会受到流体组分、密度、压力、温度的影响；测量范围比较宽，通常范围度能达到 10：1 以上；精确度处于中上水平；没有可动部件，可靠性较高；结构简单且牢固，安装起来很方便，维护费用也比较低；应用范围很广泛，能够适用于液体、气体和蒸气。

涡街流量汁（即 VSF 或流量计），在流体中安放一根（或多根）非流线型阻流体（body）。流体在阻流体两侧交替分离，从而释放出两串规则的旋涡。在一定的流量范围内，旋涡分离频率与管道内的平均流速成正比。通过采用各种形式的检测元件测出旋涡频率，就能够推算出流体的流量。

工作原理与结构

流体流经阻挡体或特制元件时会产生流动振荡，通过测定这种流动振荡的频率，就能够反映出通过的流量。

这种旋涡被称为卡曼涡街，如图所示。

旋涡列在旋涡发生体的下游呈现出非对称的排列状态。涡列的形成与流体的雷诺数存在关联。

流体流经柱体时，速度会上升，同时压力会下降（节流现象）。在圆柱体之后，速度会下降，而压力会上升。当 ReD 大于 60 时，附面层会分离，从而产生旋向相反且交替出现的旋涡。当涡街宽度 h 与相邻旋涡间距 l 的比值为 0.2806 时，涡街能够达到稳定状态。从图 1 可以看出，在 ReD 为 2×104 至 7×106 的范围内，Sr 可以被视为常数，而这正是仪表的正常工作范围。

涡街结构

VSF由传感器和转换器两部分组成，如图所示。

传感器包括旋涡发生体（阻流体）、检测元件、仪表表体等；

转换器包含防护罩。

近年来，智能式流量计将微处理器装在了转换器内，同时也把显示通讯及其他功能模块装在了转换器内。

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（包括仪表系数、线性度、范围度等）以及阻力特性（压力损失）有着密切的关联。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；

在较宽的雷诺数这个范围内，存在着稳定的旋涡分离点，并且能够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、安装和组合；

⑤材质应满足流体性质的要求，耐腐蚀，耐磨蚀，耐温变；

⑥固有频率在涡街信号的频带外。

开发出了形状多样的旋涡发生体。这些旋涡发生体可分为两类，一类是单旋涡发生体，另一类是多旋涡发生体，如图所示。

其他形状都是圆柱、矩形柱和三角柱这些基本形的变形。

三角柱形旋涡发生体是一种应用极为广泛的类型。如图 3 所示，图中的 D 代表仪表口径。

为提升涡街的强度与稳定性，能够运用多旋涡发生体。然而，多旋涡发生体的应用并非广泛。

三角柱旋涡发生体，其 d 与 D 的比值在 0.2 到 0.3 之间；c 与 D 的比值在 0.1 到 0.2 之间；b 与 d 的比值为 1 到 1.5；θ 的角度在 15 度到 65 度之间。

检测元件

流量计检测旋涡信号通常有 5 种方式。其一，利用设置在旋涡发生体内的检测元件直接对发生体两侧的差压进行检测；其二，在旋涡发生体上开设导压孔，并在导压孔中安装检测元件来检测发生体两侧的差压；其三，检测旋涡发生体周围的交变环流；其四，检测旋涡发生体背面的交变差压；其五，检测尾流中的旋涡列。依据这 5 种检测方式，运用不同的检测技术，像热敏技术、超声技术、应力技术、应变技术、电容技术、电磁技术、光电技术、光纤技术等，能够构成不同类型的 VSF。

旋涡频率检测方法，大致分为两类：

一类是检测旋涡发生时的流速变化，所采用的元件包含热丝、热敏电阻以及超声波探头等。

一类是检测旋涡发生时的压力变化。用于检测的元件有压电元件，还有应变元件，以及膜片加上压电的组合，另外还有膜片加上电容的组合。

热敏检测元件的灵敏度较高。它适用于温度较低的情况，即小于 200 度。同时也适用于密度较低的气体测量。然而，由于热敏电阻是用玻璃封装的，所以比较脆弱。正因如此，它容易受到污物以及有害物质等的影响。

压电元件具有耐脏的特性，所以其应用较为广泛。然而，它的抗震性不太好，信噪比较低。例如，在测量低密度、低流速气体时，如果环境振动较大，就不适合选用压电元件。在常温状态下，压电陶瓷是绝缘的，阻抗处于 10 至 100 兆欧之间。当温度达到 300 度时，阻抗会下降到 1 兆欧，这会导致输出信号变小，使得系统的低频性变差，不利于进行测量。

检测元件检测方法举例：

圆柱发声体检出部分的轴向两侧开有并列的偶数导压孔，这些导压孔与检测棒内的空腔相连通。检测棒内的空腔中有隔墙，隔墙将空腔分隔成两部分。在隔墙中，安装着通电流的铂电阻丝。当圆柱检测棒的侧后方产生旋涡时，有旋涡的那一边静压比无旋涡的一边大。这样就会通过导压孔引起空腔内流体发生移动，从而使热电阻丝冷却并改变阻值，进而通过电桥输出电信号。

三角柱检测器的正面使用低温玻璃进行封装。两只热敏电阻作为电桥的桥臂。这两只热敏电阻由恒流源供给微弱电流并予以加热。流体在检测器的两侧交替产生旋涡。产生旋涡的那一侧流速较大。由于流速大，靠近这一侧的热敏电阻温度降低，阻值随之升高。这样就造成了电桥不平衡。进而输出与旋涡产生的频率一致的交变电压信号。

热电阻法（P脉动）：

将圆柱制作成空心的。在其中间放入一个加热的电阻丝。在隔板上开出几个导压孔。当圆柱的一侧产生涡列时，P 会发生变化（脉动），而另一侧则未改变。此时流体经过导压孔突然流过电阻丝，导致电阻丝冷却，温度降低，电阻减小。当另一侧再次产生涡列时，流体反而会再次冷却电阻丝，使其电阻进一步减小。通过测出电阻下降的次数，就能够推出频率 f。

优点与局限性

优点：

VSF 结构简单且牢固，在安装和维护方面较为方便。与节流式差压流量计相比，它无需导压管和三阀组等部件，这样就减少了泄漏、堵塞和冻结等问题的发生。它适用的流体种类较多，像液体、气体、蒸气以及部分混相流体都可以适用。其精确度较高，与差压式、浮子式流量计比较而言，一般为测量值的（±1%～±2%）R。在范围宽度方面，可达 10：1 或 20：1。压损较小，大约是孔板流量计的 1/4 到 1/2 左右。它能输出与流量呈正比的脉冲信号，这种信号适用于总量的计量，并且不存在零点漂移的情况。

局限性：

VSF 不能用于低雷诺数测量（ReD≥2×104），所以在高粘度、低流速、小口径的情形下应用会受到限制。旋涡分离的稳定性会被流速分布畸变以及旋转流所影响，应当依据上游侧不同形式的阻流件来配置足够长的直管段，或者安装流动调整器（整流器），通常可以参照节流式差压流量计的直管段长度要求进行安装。力敏检测法 VSF 对管道机械振动较为敏感，所以不宜用于强振动的场所。它与涡轮流量计相比，仪表系数较低，分辨率也低，并且口径越大，仪表系数和分辨率就越低。一般来说，满管式流量计适用于以下情况。同时，该仪表在脉动流、混相流中还欠缺理论研究和实践经验。

安装使用注意事项

涡街流量计对管道流速分布畸变很敏感，对旋转流也很敏感，对流动脉动同样敏感。在现场进行管道安装时，应充分重视这些条件，并且要遵照生产厂使用说明书的要求去执行。

涡街流量计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。

传感器能够在管道上进行水平、垂直或倾斜的安装。然而，在测量液体和气体时，为了避免气泡和液滴的干扰，安装位置需要加以注意。

使用注意事项

（1）现场安装完毕通电和通流前的检查

主管上的各法兰、阀门、测压孔及接头应无渗漏现象，旁通管上的各法兰、阀门、测压孔及接头也应无渗漏现象。

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

通电不通流时，转换器不应有输出。此时瞬时流量指示为零，累积流量也不会有变化。若不是这样，首先要检查是否是因为信号线屏蔽或接地不良，或者是管道震动强烈而引入了干扰信号。如果确认不是上述原因，就可以调整转换器内的电位器，降低放大器的增益或者提高整形电路的触发电平，直到输出为零。

（3）通流动态调试

打开关旁通阀，再打开上下游阀门。当流动稳定后，转换器会输出连续且脉宽均匀的脉冲，此时流量指示稳定无跳变。接着调节阀门开度，输出也会随之改变。若不然，就需要细致检查并调整电位器，直到仪表输出既不会有误触发，也不会有漏脉冲为止。

五、涡街流量计的常见故障处理

新安装或新检修好的涡街流量计安装在现场管道上后，开表过程中有时会显示仪表无指示。这种情况往往是因为管道内没有流量或者流量很小，导致速度 V 等于 0 或很小，在传感器内无法产生旋涡。也有可能是传感器内的检测放大器灵敏度被调得太低。倘若管道内未吹净的焊渣、铁屑等杂物卡在探头与内壁之间，使得探头不振动，同样会引起一次表无指示。

管道内没有流体在流动，然而显示仪表却有流量显示。这种情况的出现，一方面是因为仪表接地不好，从而引入了外部干扰；另一方面也有可能是灵敏度被调得过高导致的。实践表明，灵敏度不能调得过高，不然会导致流量偏高或者指示出现波动；如果调得太低，显示仪表就会没有指示。通常情况下，应该在没有流量且没有外界干扰的时候，让显示仪表指向零就可以了。

管道内存在强烈的机械振动，这会使显示仪表有指示。工业生产的现场管道经常会受到动力设备的影响而发生振动，这种由振动所形成的噪声干扰，对涡街流量计仪表的准确检测极为有害，严重情况下会致使仪表无法正常工作。

泵能够导致流体的压力出现脉动（静压脉动）。间隙性地大幅度开闭阀门，或者负荷发生突变，都可以使流体对仪表产生大的冲击。涡街流量计最为害怕大范围的波动冲击，尤其害怕介质中夹杂的焊渣、石块等硬物的冲击，因为这些情况都会让噪声信号增大，从而影响测量精度。

涡街传感器的探头与内壁距离很小，很容易被沙粒、污物堵住。这样一来，振动源就无法振动，仪表会指零。在这种情况下，如果用外力敲击几下表的壳体，有时候能够把探头与内壁之间的污物振掉，从而使仪表恢复指示。有时二次表指示偏低且迟缓，这是因为污物堵在了探头与内壁之间，但并未完全堵死。在这种情况下，可以旋动丝杠，让振动源旋转 180°，也就是将振动源倒过来，使流体能够反冲一下振动源，这样有时能够解决问题。

有时一送电，仪表会指示某一刻度。并且无论怎样调整灵敏度电位器，它都始终不会变化。这种情况往往是一次表内部的某一个元件损坏所导致的。