流量計的選用考慮要點

1. 應用概況

　　VSF自20世紀70年代在工業上應用以來，由于它具有一些突出的特點，受到用戶歡迎，并得到迅速發展。像它這樣開發只有20多年即已躋身通用流量計之列，在流量計中是少有的。由于應用時間短，無論理論研究或實踐經驗都比較薄弱，不免出現一些問題，這是不足為怪的。多年實踐證明，VSF的選用（選型和使用）是用好流量計的關鍵環節，因此儀表制造廠應加強售前服務，即幫助用戶選型，并在安裝投用上給予指導。只要抓住這一環節，該流量計不失為一種性能不錯的流量計。
　　20世紀90年代中后期世界范圍內VSF在流量儀表總量中，臺數約占3%～5%，每年5萬～6萬臺，金額占4%～6%；在我國銷售臺數約占流量儀表總量（不包括*表和水 表及玻璃管浮子流量計）的6%～8%，每年1．5萬～2萬臺。

2. VSF的口徑選擇

　　VSF的儀表口徑及規格選擇很重要，它類似于差壓流量計節流裝置的設計計算，要遵循一些原則進行選擇。儀表口徑選擇步驟如下。
　　首先必須明確以下工作參數。
　　1）流體名稱，組分；
　　2）工作狀態的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）工作狀態介質的粘度。
　　VSF的輸出信號是與工作狀態的體積流量成正比的，因此如已知氣體流量是標準狀態體積流量或質量流量時，應把它換算成工作狀態下的體積流量q_v
　　　　　　　　　　　　　　q_v=q_n(p_nTZ/pT_nZ_n) m³／h 　　　　　　　　　　　　　　　　（9）
式中 q_v，q_n--分別為工作狀態和標準狀態下的體積流量，m³／h；
　　 P，P_n--分別為工作狀態和標準狀態下的壓力，Pa；
　　 T，T_n--分別為工作狀態和標準狀態下的熱力學溫度，K；
　　 Z，Z_n--分別為工作狀態和標準狀態下的氣體壓縮系數。
　　工作狀態下介質的密度ρ和體積流量q_v
　　　　　　　　　　ρ=ρ_n(pT_nZ_n/ p_nTZ) 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(10)
式中　　ρ，ρ_n--分別為工作狀態和標準狀態下的介質密度，kg/m³；
　　其余符號同上。
　　　　　　　　　　　　　　q_v =q_m／ρ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（11）
式中 q_m--質量流量，kg/h。
　　下面需要選擇傳感器口徑。傳感器口徑選擇主要是對流量下限值進行核算。它應該滿足 兩個條件：zui小雷諾數不應低于界限雷諾數（Re_C＝2×10⁴）和對于應力式VSF在下限流量 時旋渦強度應大于傳感器旋渦強度的允許值（旋渦強度與升力ρU²成比例關系），對于液體還應檢查zui小工作壓力是否高于工作溫度下的飽和蒸氣壓，即是否會產生氣穴現象。
　　這些條件用數學式可表示如下(12-14)
　　　　　　　　　　　　　　
式中 q_Vmin，q_V0min--分別為工作狀態和校準狀態下的zui小體積流量，m³/h；
　　（q_Vmin）_ρ--滿足旋渦強度要求時zui小體積流量，m³/h；
　　（q_Vmin）_υ--滿足zui小雷諾數要求時zui小體積流量，m³/h；
　　ρ，ρ₀--分別為工作狀態和校準狀態下介質的密度，kg/m³；
　　υ，υ₀--分別為工作狀態和校準狀態下介質的運動粘度，m²/s；
　　P_min--zui小工作壓力，Pa；
　　△p--zui大流量時傳感器的壓力損失，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，可測流量范圍和線性范圍為（q_Vmin）_ρ～q_Vmax。
　　流量測量范圍的確定還應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示有某型號渦街流量計特定校準條件下各種口徑的流量測量范圍。

表4 某型號渦街流量計特定校準條件下流量測量范圍

口徑DN/mm	液體/(m3/h)		氣體/(m3/h)
	標準測量范圍	可選測量范圍	標準測量范圍	可選測量范圍
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，如不同時應連接異形管并配置一段必要的直管段長度。

　　【例1】空氣流量測量

　　 ⑴ 已知條件

　　 zui大流量：2000m³/h（20℃,101.325kPa）
　　 zui小流量：300m³/h（20℃，101.325kPa）
　　 管道內徑：80mm
　　 工作壓力：0.5MPa（絕）
　　 工作溫度：60℃

　　（2）輔助計算
　　　　
　　　　

　　 (3) 口徑選擇
　　　　
　　比較（q_V0min）_ρ和（q_V0min）_υ，
　　　　　　　　　　　　　　　　（q_V0min）_ρ＞（q_V0min）_υ
　　故可測流量范圍為（q_V0min）_ρ～q_Vmax。
　　即可測流量范圍為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，應設置異徑管（擴散管）并配置一段直管段。

　　【例2】熱水流量測量

　　（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℃
　　介質密度：965 kg/m³
　　介質粘度：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大流量時平均流速U_max為
　　　　
　　查生產廠提供的資料得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
　　故由計算可知不會發生氣穴現象。
　　飽和水蒸氣的流量測量范圍可由表4所示氣體流量測量范圍用下式求得
　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　(15)
式中 q_m--水蒸氣的質量流量，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量范圍如表5所示。
　　試計算DN100飽和水蒸氣0.8MPa時的流量范圍。
　　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，ρ=4.162 kg/m³；
　　3） 計算得
　　　　

表5 飽和水蒸氣質量流量范圍　　　　　　 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的度對于液體大致在±0.5%R～±2%R，對于氣體在±l%R～±2%R，重復性一般為0.2%～0.5%。由于VSF的儀表系數較低，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，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量范圍的1/2～2/3處。
　　VSF的儀表系數不受測量介質物性的影響，這是很大的優點，可以用一種典型介質校驗而應用到其他介質去，對于解決校驗設備問題提供便利。但是應該看到由于液、氣的流速范圍差別很大，因此頻率范圍亦差別很大。處理渦街信號的放大器電路中，濾波器的通帶不同，電路參數亦不同，因此，同一電路參數是不能用于不同測量介質的。介質改變，電路參數亦應隨之改變。
　　另外，氣體和液體的密度差別很大，旋渦分離時產生的信號強度與密度成正比。因此信號強度差別亦很大，液、氣放大器電路的增益，觸發靈敏度等皆不一樣，壓電電荷差別大，電荷放大器的參數也不同。即使同為氣體（或液體、蒸汽）隨著介質壓力、溫度不同，密度不同，使用的流量范圍不同，信號強度亦不同，電路參數同樣要改變。因此一臺VSF不經硬件或軟件修改，改變使用介質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，總結起來主要有以下幾點原因。
　　1）產品質量問題，設計原理或設計方案有嚴重缺陷，產品材料、工藝質量不良。尤其近年來，一些生產廠片面追求利潤，產品粗制濫造，敗壞了VSF的聲譽。
　　2）儀表選型和使用問題，用戶給定工藝參數不準確，使得選型不當；安裝地點選擇有問題，安裝不符合規定要求。
　　3）現場調整問題，現場投運缺乏調整或調整不當，正確的調整是用好的關鍵。

5. 適用的情況

　　VSF不適用于測量低雷諾數（Re_D≤2×10⁴）流體。低雷諾數時斯特勞哈爾數隨著雷諾數而變，儀表線性度變差，流體粘度高會顯著影響甚至阻礙旋渦的產生，選型的一個限制條件是不能使用于界限雷諾數之下。
　　VSF適用的流體比較廣泛，但對于流體的臟污性質要注意。含固體微粒的流體對旋渦發生體的沖刷會產生噪聲，磨損旋渦發生體。若含有的短纖維纏繞在旋渦發生體上將改變儀表系數。
　　VSF在混相流體中的應用經驗還少，一般可用于含分散、均勻的微小氣泡，但容積含氣率應小于7%～10%的氣、液兩相流，若超出2%就應對儀表系數進行修正。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。
　　脈動流和旋轉流會對VSF產生嚴重影響。如果脈動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備，使渦街信號產生"鎖定（1ock-in）"現象，這時信號固定于某一頻率。"鎖定"與脈動幅值、旋渦發生體形狀及堵塞比等有關。VSF的正常工作的脈動閾值尚待試驗確定。80年代以來國內外流量測量工作者已對VSF在混相流、脈動流中的應用開展許多試驗研究，標準化組織（ISO）已發布的技術報告中亦關注這方面內容。

6. 經濟性

　　在眾多的流量計中，VSF的經濟性較好，是一種經濟實惠的流量計。VSF的基本性能處于中等偏上水平，購置費低于質量式、電磁式、容積式等，而安裝、運行、維護費低于節流式、容積式、渦輪式等，如僅作為控制系統檢測儀表可采用干校方式節省周期校驗費用。