流量計(jì)的選用考慮要點(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*表和水 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zui大、常用、zui小流量；
　　3）zui高、常用、zui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q_v
　　　　　　　　　　　　　　q_v=q_n(p_nTZ/pT_nZ_n) m³／h 　　　　　　　　　　　　　　　　（9）
式中 q_v，q_n--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，P_n--分別為工作狀態(tài)和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的壓力，Pa；
　　 T，T_n--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，Z_n--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q_v
　　　　　　　　　　ρ=ρ_n(pT_nZ_n/ p_nTZ) 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(10)
式中　　ρ，ρ_n--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。
　　　　　　　　　　　　　　q_v =q_m／ρ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（11）
式中 q_m--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：zui小雷諾數(shù)不應(yīng)低于界限雷諾數(shù)（Re_C＝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zui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 q_Vmin，q_V0min--分別為工作狀態(tài)和校準(zhǔn)狀態(tài)下的zui小體積流量，m³/h；
　　（q_Vmin）_ρ--滿足旋渦強(qiáng)度要求時(shí)zui小體積流量，m³/h；
　　（q_Vmin）_υ--滿足zui小雷諾數(shù)要求時(shí)zui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；
　　P_min--zui小工作壓力，Pa；
　　△p--zui大流量時(shí)傳感器的壓力損失，Pa，
　　　　　　　　　　△p=C_D（ρU²/2），C_D≈2
　　U--管道平均流速，m／s；
　　P_V--工作溫度下液體的飽和蒸氣壓，Pa。
　　比較（q_Vmin）_ρ，和（q_Vmin）_υ：
　　若（q_Vmin）_υ≥（q_Vmin）_ρ，可測(cè)流量范圍為（q_Vmin）_ρ～q_Vmax，線性范圍為（q_Vmin）_υ～q_Vmax；
　　若（q_Vmin）_υ＜（q_Vmin）_ρ，可測(cè)流量范圍和線性范圍為（q_Vmin）_ρ～q_Vmax。
　　流量測(cè)量范圍的確定還應(yīng)檢查是否處于儀表的*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

口徑DN/mm	液體/(m3/h)		氣體/(m3/h)
	標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量范圍	可選測(cè)量范圍	標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量范圍	可選測(cè)量范圍
20	1.2～12	1～15	6～50	5～77
25	1.6～16	1.6～18	8～60	8～120
40	2～30	2～48	18～180	18～310
50	3～50	3～70	30～300	30～480
80	15～150	10～170	70～700	70～1230
100	20～200	15～270	100～1000	100～1920
125	36～360	25～450	150～1500	140～3000
150	50～500	40～630	200～2000	200～4000
200	100～1000	80～1200	400～4000	320～8000
250	150～1500	120～1800	600～6000	550～11000
300	200～2000	180～2500	1000～10000	800～18000

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

　　 zui大流量：2000m³/h（20℃,101.325kPa）
　　 zui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（q_V0min）_ρ和（q_V0min）_υ，
　　　　　　　　　　　　　　　　（q_V0min）_ρ＞（q_V0min）_υ
　　故可測(cè)流量范圍為（q_V0min）_ρ～q_Vmax。
　　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

　　zui大流量：18m³/h
　　zui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（q_V0min）_ρ和（q_V0min）_υ，
　　　　　　　　　　　　　　　　（q_V0min）_ρ≤（q_V0min）_υ
　　可測(cè)流量范圍為（q_V0min）_ρ～q_Vmax。查得DN40、ND50皆可滿足要求，選擇DN40更合適些。

　　（3）檢查壓力損失

　　zui大流量時(shí)平均流速U_max為
　　　　
　　查生產(chǎn)廠提供的資料得C_D：2.2
　　則 △p=1.1ρU²_max=1.1×965×3.98²=0.168×10⁵Pa
　　不發(fā)生氣穴的zui低工作壓力
　　　　　　　　p=2.7△p_max+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 q_m--水蒸氣的質(zhì)量流量，t/h；
　　 q_v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
　　　　

表5 飽和水蒸氣質(zhì)量流量范圍　　　　　　 單位：（kg/ h）

絕壓p/MPa 溫度T/oC 密度p/(kg/m3)	0.2 120.23 1.129	0.3 133.54 1.651	0.4 143.62 2.163	0.5 151.84 2.669	0.6 158.94 3.170	0.7 164.96 3.667	0.8 170.41 4.162
DN20 Qmin Qmax 可擴(kuò)展zui大上限	11 89 89	13 130 130	15 150 171	16 160 211	18 180 250	19 190 290	20 200 329
DN25 Qmin Qmax 可擴(kuò)展zui大上限	14 140 140	17 170 204	19 190 267	22 220 330	23 230 391	25 250 453	27 270 541
DN40 Qmin Qmax 可擴(kuò)展zui大上限	31 310 357	38 380 522	44 440 684	48 480 844	53 530 1003	57 570 1160	60 600 1317
DN50 Qmin Qmax 可擴(kuò)展zui大上限	52 520 558	63 630 816	73 730 1069	81 810 1320	88 880 1568	95 950 1813	101 1010 2058
DN80 Qmin Qmax 可擴(kuò)展zui大上限	122 1220 1429	148 1480 2090	170 1700 2738	188 1880 3379	205 2050 4013	221 2210 4642	235 2350 5269
DN100 Qmin Qmax 可擴(kuò)展zui大上限	175 1750 2233	212 2120 3266	242 2420 4278	269 2690 5279	293 2930 6270	315 3150 7254	336 3360 8233
DN125 Qmin Qmax 可擴(kuò)展zui大上限	262 2620 3489	317 3170 5103	363 3630 6685	404 4040 8249	440 4400 9798	473 4730 11334	504 5040 12864
DN150 Qmin Qmax 可擴(kuò)展zui大上限	350 3500 5025	423 4230 7348	484 4840 9627	538 5380 11879	586 5860 14019	631 6310 16321	672 6720 15824
DN200 Qmin Qmax 可擴(kuò)展zui大上限	700 7000 8933	846 8460 13064	969 9690 17115	1076 10760 21119	1173 11730 25083	1261 12610 29016	1344 13440 32993
DN250 Qmin Qmax 可擴(kuò)展zui大上限	1050 10500 13958	1269 12690 20412	1453 14530 26742	1641 16410 32998	1759 17590 39193	1892 18920 45337	2016 20160 51457
DN300 Qmin Qmax 可擴(kuò)展zui大上限	1750 17500 20100	2116 21160 29394	2422 24220 38509	2690 26900 47518	2932 29320 56438	3153 31530 65286	3359 33590 74099
DN350 Qmin Qmax 可擴(kuò)展zui大上限	2624 26240 27359	3174 31740 4008	3632 36320 52415	4035 40350 64677	4397 43970 76818	4730 47300 88862	5038 50380 100857
DN400 Qmin Qmax 可擴(kuò)展zui大上限	3149 31490 35734	3808 38080 52256	4359 43590 68461	4842 48420 84477	5277 52770 100334	5676 56760 116064	6047 60470 131732
DN500 Qmin Qmax 可擴(kuò)展zui大上限	4374 43740 55834	5289 52890 81650	6054 60540 106971	6725 67250 131995	7329 73290 156772	7883 78830 181351	8398 83980 205831
DN600 Qmin Qmax 可擴(kuò)展zui大上限	5599 55990 80401	6770 67700 117576	7749 77490 154038	8608 86080 190073	9381 93810 225752	10089 100890 261146	10749 107490 296397

 

3. VSF的度

　　VSF的度對(duì)于液體大致在±0.5%R～±2%R，對(duì)于氣體在±l%R～±2%R，重復(fù)性一般為0.2%～0.5%。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）。
　　范圍度寬是VSF的特點(diǎn)，但重要的是下限流量為多少。一般液體平均流速下限為0.5m/s，氣體為4～5m／s。VSF的正常流量在正常測(cè)量范圍的1/2～2/3處。
　　VSF的儀表系數(shù)不受測(cè)量介質(zhì)物性的影響，這是很大的優(yōu)點(diǎn)，可以用一種典型介質(zhì)校驗(yàn)而應(yīng)用到其他介質(zhì)去，對(duì)于解決校驗(yàn)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(hào)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(cè)量介質(zhì)的。介質(zhì)改變，電路參數(shù)亦應(yīng)隨之改變。
　　另外，氣體和液體的密度差別很大，旋渦分離時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)度與密度成正比。因此信號(hào)強(qiáng)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(hào)強(qiáng)度亦不同，電路參數(shù)同樣要改變。因此一臺(tái)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。

4. 主要問題

　　VSF大量使用已有十余年，使用效果不理想，總結(jié)起來主要有以下幾點(diǎn)原因。
　　1）產(chǎn)品質(zhì)量問題，設(shè)計(jì)原理或設(shè)計(jì)方案有嚴(yán)重缺陷，產(chǎn)品材料、工藝質(zhì)量不良。尤其近年來，一些生產(chǎn)廠片面追求利潤(rùn)，產(chǎn)品粗制濫造，敗壞了VSF的聲譽(yù)。
　　2）儀表選型和使用問題，用戶給定工藝參數(shù)不準(zhǔn)確，使得選型不當(dāng)；安裝地點(diǎn)選擇有問題，安裝不符合規(guī)定要求。
　　3）現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整問題，現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)缺乏調(diào)整或調(diào)整不當(dāng)，正確的調(diào)整是用好的關(guān)鍵。

5. 適用的情況

　　VSF不適用于測(cè)量低雷諾數(shù)（Re_D≤2×10⁴）流體。低雷諾數(shù)時(shí)斯特勞哈爾數(shù)隨著雷諾數(shù)而變，儀表線性度變差，流體粘度高會(huì)顯著影響甚至阻礙旋渦的產(chǎn)生，選型的一個(gè)限制條件是不能使用于界限雷諾數(shù)之下。
　　VSF適用的流體比較廣泛，但對(duì)于流體的臟污性質(zhì)要注意。含固體微粒的流體對(duì)旋渦發(fā)生體的沖刷會(huì)產(chǎn)生噪聲，磨損旋渦發(fā)生體。若含有的短纖維纏繞在旋渦發(fā)生體上將改變儀表系數(shù)。
　　VSF在混相流體中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)還少，一般可用于含分散、均勻的微小氣泡，但容積含氣率應(yīng)小于7%～10%的氣、液兩相流，若超出2%就應(yīng)對(duì)儀表系數(shù)進(jìn)行修正。可用于含分散、均勻的固體微粒，含量不大于2%的氣固、液固兩相流。可用于互不溶解的液液（如油和水）兩組分流等。
　　脈動(dòng)流和旋轉(zhuǎn)流會(huì)對(duì)VSF產(chǎn)生嚴(yán)重影響。如果脈動(dòng)頻率與渦街頻率頻帶合拍可能引起諧振破壞正常工作和設(shè)備，使渦街信號(hào)產(chǎn)生"鎖定（1ock-in）"現(xiàn)象，這時(shí)信號(hào)固定于某一頻率。"鎖定"與脈動(dòng)幅值、旋渦發(fā)生體形狀及堵塞比等有關(guān)。VSF的正常工作的脈動(dòng)閾值尚待試驗(yàn)確定。80年代以來國(guó)內(nèi)外流量測(cè)量工作者已對(duì)VSF在混相流、脈動(dòng)流中的應(yīng)用開展許多試驗(yàn)研究，標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）已發(fā)布的技術(shù)報(bào)告中亦關(guān)注這方面內(nèi)容。

6. 經(jīng)濟(jì)性

　　在眾多的流量計(jì)中，VSF的經(jīng)濟(jì)性較好，是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的流量計(jì)。VSF的基本性能處于中等偏上水平，購(gòu)置費(fèi)低于質(zhì)量式、電磁式、容積式等，而安裝、運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)低于節(jié)流式、容積式、渦輪式等，如僅作為控制系統(tǒng)檢測(cè)儀表可采用干校方式節(jié)省周期校驗(yàn)費(fèi)用。