1.1 基本工作原理

    涡街流量计是基于“卡门涡街”原理实现流量测量的仪表。

    在流体的管路中设置非流线型柱状阻力部件，在某一雷诺数Re范围内，其下游两侧将产生旋涡分离现象，形成两排交替出现的旋涡列并依次向下游流去，连续不断，好象一条由旋涡组成的街道，形象地称为“涡街”。当涡列宽度h与同列相邻两旋涡的间距L之比满足h/L=0.281时，这样的涡街阵列几何结构才稳定，称为卡门涡街。产生旋涡分离的阻力部件称为旋涡发生体（见图1）。当旋涡发生体为三角柱体时，其旋涡分离频率f（单位：Hz）和管道内平均流速v、旋涡发生体迎流面宽度d之间关系为：

    f=St·v1/d=St·v/[（1-1.25d/D）·d]   （1）

    式中：St为斯特劳哈尔数（无量纲），在一定Re范围内，St为常数；v1为发生体两侧流体的平均流速，m/s；D为管道内径，m；d/D为柱宽比，即旋涡发生体宽度与管径之比值；v为旋涡发生体前平均流速，m/s。

 

    因管道中平均瞬时流量qv[m3/h]与管径D和平均流速v关系为：

 

    所以f=qv·4St/[（1-1.25d/D）·（d/D）··D3]=K·qv    （3）

    式中：K为仪表系数，L-1。

    K=4St/[（1-1.25d/D）·（d/D）··D3]   （4）

    实验表明，当雷诺数Re≥20000时，斯特劳哈尔数St基本为恒定值，如三角柱发生体St=0.16，另一方面，对于给定形式的具体仪表，其几何尺寸D、d和相互关系等已确定，故仪表系数K值也确定，与流体物性和组分无关。所以操作状态体积流量qv与旋涡频率f成线性比例关系：

    qv=f/K   （5）

    由此可见，只要准确检测旋涡频率便可得知体积流量，这就是涡街流量计的检测基础和基本工作原理。而如何准确检测旋涡频率则成为决定涡街流量计整体性能的关键，各种涡街流量计的明显区别也在于采用的检测技术（元件）不同，如从早期热敏电阻元件的热敏式涡街流量计，后来市场较多的压电晶体元件的应力式涡街流量计，到近期发展起来的差动开关电容式涡街流量计等等。
    1.2 结构原理
  差动开关电容式涡街流量计（以下简称电容式涡街）采用差动开关电容传感器（以下简称DSC传感器）检测卡门涡街产生的旋涡频率信号。整个信号检测处理过程如图2。
   DSC传感器为外置悬臂式结构（图3），独立于仪表旋涡发生体但又径向插入发生体的中心孔中，并与两侧导压孔连通，以检测卡门旋涡压力的变化。它实质是一个电容式机-电转换器。
   外观为圆筒形且下端密封而管壁又很薄的振动舌作为电容器的公共电极，其内部有两个附于同一支座下端但又相互绝缘的弧状形电极。这两个电极与公共电极振动舌内壁之间保留有充满空气的微小间隙，构成两个电容器，电介质为空气，其电容的大小与电极和振动舌内壁之间的距离成反比。当振动舌发生形变或位移时就会使两个电容失去平衡，产生差动电容。

    当旋涡产生时在两侧形成微小压差，旋涡压力使振动舌发生左右挠性振动，由于内部两个电极及其支座仍固定不动，从而一个电容间隙增大（电容量变小），同时另一电容间隙减小（电容量变大），反之亦然，也即导致两电容的大小因距离相对变化而发生周期性的变化，产生了差动信号。这也是差动开关电容检测电路所检测到的*信号。差动信号呈正弦波形式，经前置放大器处理后以PFM（脉冲频率调剂）脉冲信号形式输出。

    2.3 性能特点

    当管道发生振动时，振动的惯性力同时作用在振动舌和电极上，使它们在同方向上产生形变，由于振动舌与两个电极及支座的振动特性和几何结构相匹配，它们对于外部振动的响应是同步的，即形变量相一致，两个电容间隙没有相对变化，故不产生差动信号，因此能够消除任何方向、频率≤500Hz、加速度≤1g的强机械振动的影响。

    应用现代工程材料与方法，使其工作温度范围扩展至-200℃～+400℃，而且不存在破裂、老化等问题，能够承受得住高达100℃/s的热冲击。

    振动舌的管壁很薄，因此灵敏度很高，即流速下限可以很低（介质为水时，流速为0.2m/s）；又因为振动舌为圆筒形不锈钢，机械结构坚固，可以耐高流速旋涡的压力作用，所以流速上限较高（介质为水时，流速为9m/s、介质为蒸汽和气体时，流速为75m/s）。由于兼顾了流速的两个，因此量程比很宽（zui高可达40:1）。

    2 温度压力补偿与测量系统

    涡街流量计是一种速度式流量计，其直接检测结果是给出操作状态下的体积流量，在其测量范围内，这种体积流量不受流体温度、压力、密度、粘度、成分等性质变化所影响，因而是准确的，不需要任何温度、压力补偿。但工程上测量蒸汽流量时习惯上以质量流量qm，单位用kg/h或t/h表示，所以上述体积流量qv需要引入蒸汽密度ρ（p，T）参数进行折算：

    qm（V，p，T）=qv（V）·ρ（p，T）   （6）
   而蒸汽密度ρ是直接受到蒸汽工作状态如温度T、压力p等影响的，例如温度为190℃的蒸汽，当压力由1.1MPa上升到1.2MPa时，其密度约增大了10%，可见，蒸汽性质变化或操作条件波动时会产生一定的附加误差。因此在体积流量检测的同时还要进行温度压力的检测，也即通过T、p对ρ进行实时补偿以消除系统的附加误差，保证zui终需要的检测结果即质量流量的准确性，而这些补偿运算工作均在流量积算仪中自动完成。所以，应用涡街流量计测量蒸汽流量时，温度压力补偿是很有必要的。
  在本测量系统中，蒸汽的体积流量qv、压力p和温度T分别通过电容式、压力变送器和热电阻（Pt100）的检测而转换为PFM脉冲、4～20mADC和电阻值信号，并同时输入现场的智能流量积算仪进行运算和显示，其读数即为补偿后的蒸汽质量流量qm。
   此外，由于蒸汽用户分散并且距离较远，给管理带来了诸多不便，为此我们利用流量积算仪的通讯功能（RS485）和专网无线传输技术，与上位计算机（智能终端）构成网络，将各测量点的计量数据实时传输到热力公司的主机中进行监控与储存，可在主机中随时查询任何一个用户点的流量、压力、温度等参数和掉电情况，从而实现了远传监控管理，也成为企业信息化建设的一部分。

    综上所述，每个测量点的系统构成
   3 应用实例
   在50多个测量点中，下面是几种典型的应用例子。
  3.1 大流量、长管线
   康师傅集团属下的顶益、顶津公司分别采用电容式涡街DN200、DN250，蒸汽流量在20～30t/h之间，蒸汽管线长约5km，位于热源点末端，有时蒸汽处于过热与饱和的临界状态，但运行一直很正常。
   另一用户麦芽公司的管线长约3km，在设计阶段，由于对蒸汽用量估算不足，仅采用DN200电容式涡街，但实际使用时，其蒸汽用量大大超出原设计用量，正常30t/h左右，有时甚至达到40t/h以上。过大的流量，造成管线中的蒸汽流速*（现场常可听到管道中的锐啸声），这对该电容式涡街的性能提出较高的要求，但使用以来，一直运行良好。

    3.2 大管道、小流量  联众不锈钢公司根据长远的用汽规划，铺设DN250蒸汽管道并选用DN200电容式涡街，虽然目前建厂初期蒸汽用量仅5～10t/h，相对于DN200电容式涡街而言流量偏小，却仍然落入其测量范围之内，故理论上能准确计量。为便于了解该涡街运行情况，热力公司在同一管道的供汽端加装了一台应力式涡街流量计（采用压电晶体传感器）作为比较，但由于小流量丢失、稳定性差等原因，其读数误差达5%～30%，显然，这种数据已失去参考价值；后来换装成电容式涡街，结果两台电容式涡街的测量数据基本保
持一致。
   3.3 流量变化大
   大多蒸汽管道尺寸较小的蒸汽用户均存在蒸汽用量变化大的特点，因为这些用户主要集中在加热搅拌、烘烤及酒店、生活区等行业，如慧达化工、秉信纸业、捷普生活区、新港码头等单位，蒸汽用量因不同季节（如冬天多，夏天少）和不同时段（如做饭、洗澡时用量多，其余时间用量少）差异非常大，如果安装传统孔板流量计，需要2～3套进行切换，而涡街1套便可满足要求。以秉信纸业公司为例，在满负荷工作时，其用汽量可达到3t/h，当处于用汽低峰时，其用汽量不足0.1t/h，所以要求流量计具有非常宽的量程比，否则将会造成小流量的丢失，但从现场安装的DN80电容式涡街运行情况看，几乎不存在什么小流量丢失的问题，因而避免了供汽用汽双方因计量不准而引起的纠纷。
    3.4 管道机械振动
   现场蒸汽管道总是存在一些振动现象，由于机器设备运转或车辆行驶等引起的管道机械振动更是难以避免，zui典型的就是力嘉公司和绿箭香口胶公司两家蒸汽用户，它们的厂区紧靠马路，蒸汽支管线都不可避免要经过交通主干道。前者原来使用DN25应力式涡街，结果常常能根据现场突变的检测信号（反映为瞬时流量读数急增）而准确预测到大型车辆正在经过，这说明其很容易受振动干扰；后者安装DN80电容式涡街流量计，其在同样有大型车辆经过时，其显示值却没有什么变化，这证明其抗振动干扰性能
良好。
    3.5 间隙性用汽
本田汽车公司安装了DN80电容式涡街流量计，其蒸汽流量5t/h左右。由于是间隙性使用，一天之内需要频繁多次停汽、用汽，这显然会对涡街形成频繁冲击，由此所引起的干扰也会增多，因此要求所用涡街具有较高的抗流速冲击、抗热冲击和抗振动干扰的能力。从现场观察和计量数据分析看，该电容式涡街完适应这一工况，仪表运行一直正常。
    4 注意事项
    涡街应用效果是产品性能、选型、安装的综合反映。现就应用中容易疏忽的几个问题作一分析，以引起注意和重视。
    （1）在设计选型阶段，必须依据蒸汽的实际工艺参数选择合适的涡街口径大小，而管道尺寸仅作为参考。经验表明，管路设计时往往留有很大的余量，蒸汽管道尺寸普遍偏大，如果按原管道选择涡街口径，经常会造成精度下降（小流量丢失）甚至不能计量的后果；而根据参数选出的涡街口径常常有小一档的情况，这时安装涡街需要一段同心缩管。
   （2）安装时必须严格依据施工规范。例如，前后直管段长度必须满足涡街流量计的技术要求，涡街仪表体中心线与前后直管道中心线同轴，密封垫不能伸入管道中，这样可以防止因部分流通面积被盖住、流速分布发生畸变、流场受干扰而引起测量误差；蒸汽管道测量段保证没有冷凝水；对于新装工艺管道，在吹扫时必须先把涡街拆下，吹扫干净后方可装回。
    （3）电气接线必须规范，现场的防水、防高温措施必须到位。例如，仪表体处的保温隔热层的*高度不能高于表头支架的一半，这样支架中有保温部分（下半部）可阻止热幅射，无保温部分（上半部）可防止热量传递到表头；水平管道时，表头应尽可能水平放置，以便尽量降低热空气对前置放大器电子元件的影响。
    5 结束语
    本测量系统的核心是差动开关电容式涡街流量计，它对于测量是否成功起到决定性作用。几年的应用实践表明，这种电容式涡街工作稳定可靠，抗振动干扰强，不存在应力式涡街流量计那种对振动的敏感性，其测量数据是可信的、是公正的，也没有应力式涡街常因雷击而损坏的这类问题；结构坚固，没有可动部件，不存在磨损和堵塞问题，无需维护，使用成本低；灵敏度高，量程比宽，减少了小流量丢失；仪表精度高（可达0.5%），且长期运行几乎不会改变，而精度的提高对于蒸汽计量有着明显的经济价值。它的成功应用，为解决热力公司高温蒸汽准确计量这个难题提供一个非常有效的途径。