流量计的选用考虑要点

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*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zui大、常用、zui小流量；
　　3）zui高、常用、zui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：zui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zui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zui小体积流量，m³/h；
　　（q_Vmin）_ρ--满足旋涡强度要求时zui小体积流量，m³/h；
　　（q_Vmin）_υ--满足zui小雷诺数要求时zui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--zui小工作压力，Pa；
　　△p--zui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*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

口径DN/mm	液体/(m3/h)		气体/(m3/h)
	标准测量范围	可选测量范围	标准测量范围	可选测量范围
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

　　 zui大流量：2000m³/h（20℃,101.325kPa）
　　 zui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

　　zui大流量：18m³/h
　　zui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

　　zui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zui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
　　　　

表5 饱和水蒸气质量流量范围　　　　　　 单位：（kg/ h）

绝压p/MPa 温度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 可扩展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 可扩展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 可扩展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 可扩展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 可扩展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 可扩展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 可扩展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 可扩展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 可扩展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 可扩展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 可扩展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 可扩展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 可扩展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 可扩展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 可扩展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的度对于液体大致在±0.5%R～±2%R，对于气体在±l%R～±2%R，重复性一般为0.2%～0.5%。由于VSF的仪表系数较低，频率分辨率低，口径愈大愈低，故仪表口径不宜过大（DN300以下）。
　　范围度宽是VSF的特点，但重要的是下限流量为多少。一般液体平均流速下限为0.5m/s，气体为4～5m／s。VSF的正常流量在正常测量范围的1/2～2/3处。
　　VSF的仪表系数不受测量介质物性的影响，这是很大的优点，可以用一种典型介质校验而应用到其他介质去，对于解决校验设备问题提供便利。但是应该看到由于液、气的流速范围差别很大，因此频率范围亦差别很大。处理涡街信号的放大器电路中，滤波器的通带不同，电路参数亦不同，因此，同一电路参数是不能用于不同测量介质的。介质改变，电路参数亦应随之改变。
　　另外，气体和液体的密度差别很大，旋涡分离时产生的信号强度与密度成正比。因此信号强度差别亦很大，液、气放大器电路的增益，触发灵敏度等皆不一样，压电电荷差别大，电荷放大器的参数也不同。即使同为气体（或液体、蒸汽）随着介质压力、温度不同，密度不同，使用的流量范围不同，信号强度亦不同，电路参数同样要改变。因此一台VSF不经硬件或软件修改，改变使用介质或改变仪表口径是不可行的。

4. 主要问题

　　VSF大量使用已有十余年，使用效果不理想，总结起来主要有以下几点原因。
　　1）产品质量问题，设计原理或设计方案有严重缺陷，产品材料、工艺质量不良。尤其近年来，一些生产厂片面追求利润，产品粗制滥造，败坏了VSF的声誉。
　　2）仪表选型和使用问题，用户给定工艺参数不准确，使得选型不当；安装地点选择有问题，安装不符合规定要求。
　　3）现场调整问题，现场投运缺乏调整或调整不当，正确的调整是用好的关键。

5. 适用的情况

　　VSF不适用于测量低雷诺数（Re_D≤2×10⁴）流体。低雷诺数时斯特劳哈尔数随着雷诺数而变，仪表线性度变差，流体粘度高会显著影响甚至阻碍旋涡的产生，选型的一个限制条件是不能使用于界限雷诺数之下。
　　VSF适用的流体比较广泛，但对于流体的脏污性质要注意。含固体微粒的流体对旋涡发生体的冲刷会产生噪声，磨损旋涡发生体。若含有的短纤维缠绕在旋涡发生体上将改变仪表系数。
　　VSF在混相流体中的应用经验还少，一般可用于含分散、均匀的微小气泡，但容积含气率应小于7%～10%的气、液两相流，若超出2%就应对仪表系数进行修正。可用于含分散、均匀的固体微粒，含量不大于2%的气固、液固两相流。可用于互不溶解的液液（如油和水）两组分流等。
　　脉动流和旋转流会对VSF产生严重影响。如果脉动频率与涡街频率频带合拍可能引起谐振破坏正常工作和设备，使涡街信号产生"锁定（1ock-in）"现象，这时信号固定于某一频率。"锁定"与脉动幅值、旋涡发生体形状及堵塞比等有关。VSF的正常工作的脉动阈值尚待试验确定。80年代以来国内外流量测量工作者已对VSF在混相流、脉动流中的应用开展许多试验研究，标准化组织（ISO）已发布的技术报告中亦关注这方面内容。

6. 经济性

　　在众多的流量计中，VSF的经济性较好，是一种经济实惠的流量计。VSF的基本性能处于中等偏上水平，购置费低于质量式、电磁式、容积式等，而安装、运行、维护费低于节流式、容积式、涡轮式等，如仅作为控制系统检测仪表可采用干校方式节省周期校验费用。