鍋爐蒸汽流量計是根據(jù)“卡門漩渦”原理制成的流量測量儀表。當(dāng)一穩(wěn)定的流體流經(jīng)有一定長度的直管道時，撞擊沉浸在流體中的非線性柱體，在流體的下游會產(chǎn)生漩渦（即卡門漩渦）。當(dāng)流體的雷諾數(shù)（Re）在一定的范圍內(nèi)，漩渦的發(fā)生規(guī)律是穩(wěn)定可靠的，漩渦發(fā)生的頻率F由公式：F=(St * V)/d 確定其中，V為流速； d為柱體迎流面的寬度；St為斯特羅哈數(shù)。鍋爐蒸汽流量計可廣泛用于大、中、小型各種管道給排水、工業(yè)循環(huán)、污水處理，油類及化學(xué)試劑以及壓縮空氣、飽和及過熱蒸汽、天然氣及各種介質(zhì)流量的計量。

鍋爐蒸汽流量計的特點也很明顯，主要表現(xiàn)在以下方面:

①智能鍋爐蒸汽流量計的傳感器的通用性很強(qiáng)，從而使傳感器具有良好的互換性采用先進(jìn)數(shù)控設(shè)備加工傳感器的表體和旋渦發(fā)生體等，確保加工精度，從而使零部件（特別是旋渦發(fā)生體）的通用性強(qiáng)，從而真正做到不會因零部件的更換而影響傳感器的重復(fù)性和精度；能產(chǎn)生強(qiáng)大而穩(wěn)定的渦街信號。

②抗振性能特別好，無零點漂移，可靠性高。通過長時間對鍋爐蒸汽流量計進(jìn)行的大量波形分析和頻譜分析，加上*佳的探頭形狀、壁厚，高度、探頭桿直徑及與之相配套的壓電晶體，采用先進(jìn)的數(shù)控車床進(jìn)行加工，確保加工的同軸度和光潔度等技術(shù)參數(shù)，配合特殊的工藝處理，從而*大限度的克服渦街流量計存在的固有自振蕩頻率對信號的影響這個通病。

③結(jié)構(gòu)簡單牢固，無可動部件，可靠性高，使用維護(hù)方便。

④檢測元件不與介質(zhì)接觸，性能穩(wěn)定，使用壽命長傳感器采用檢測探頭與旋渦發(fā)生體分開安裝，而且耐高溫的壓電晶體密封在檢測探頭內(nèi)，不與被測介質(zhì)接觸，所以鍋爐蒸汽流量計具有結(jié)構(gòu)簡單、通用性好和穩(wěn)定性高的特點。

⑤輸出與流量成正比的脈沖信號或模擬信號，無零點漂移，精度高，方便與計算機(jī)聯(lián)網(wǎng)

⑥測量范圍寬，量程比可達(dá)1：10

⑦鍋爐蒸汽流量計測量體積流量時不需補(bǔ)償，渦街輸出的信號實際上是與流速成線性關(guān)系的，也就是與體積流量成正比。壓力和溫度補(bǔ)償?shù)哪康氖菫榱说玫搅黧w的密度，乘以體積流量就得到質(zhì)量流量，若測量氣體的體積流量就不需要補(bǔ)償了。

⑧壓力損失小。用口徑DN50的鍋爐蒸汽流量計測量可燃?xì)怏w的流量，若管道內(nèi)的*大流量Qmax ＝200m3/h時，傳感器的壓力損失是：△P ＝1.08×10-6 ρv2（kPa）= 0.605 KPa

⑨在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，流量特性不受流體壓力、溫度、黏度、密度、成分的影響，僅是與旋渦發(fā)生體的形狀和尺寸有關(guān)。

⑩應(yīng)用范圍廣，蒸汽、氣體、液體流量均可測量。

本文介紹這種集溫度、壓力、流量就地顯示于一體的數(shù)字鍋爐蒸汽流量計。并分析了數(shù)字渦街流量機(jī)在測量超高溫鍋爐過熱蒸汽方面的應(yīng)用。采用先進(jìn)的單片微機(jī)及微功耗芯片，實現(xiàn)在線多種信號采集和數(shù)據(jù)處理，并采用軟件容錯技術(shù)，大大提高了儀表的可靠性和測量準(zhǔn)確度。 

1．鍋爐蒸汽流量計的精度及適用情況 

1．1鍋爐蒸汽流量計的精確度 

鍋爐蒸汽流量計的精確度對于液體大致在±O．5％R～±2％R，對于氣體在±1％R～±2％R，重復(fù)性一般為0．2％-0．5％。由于鍋爐蒸汽流量計的儀表系數(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)。 

范圍度寬是鍋爐蒸汽流量計的特點，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。鍋爐蒸汽流量計的正常流量*好在正常測量范圍的1／2～2／3處。 

鍋爐蒸汽流量計的儀表常數(shù)不受測量介質(zhì)物性的影響，這是很大的優(yōu)點，可以用一種典型介質(zhì)校驗而應(yīng)用到其他介質(zhì)去，對于解決校驗設(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，因此頻率范圍也差別很大。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(shù)也不同，因此，同一電路參數(shù)是不能用于不同測量介質(zhì)的。介質(zhì)改變，電路參數(shù)也應(yīng)隨之改變。 

另外，氣體和液體的密度差別很大，旋渦分離時產(chǎn)生的信號強(qiáng)度與密度成正比。因此信號強(qiáng)度差別也很大，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，信號強(qiáng)度也不同，電路參數(shù)同樣要改變。因此一臺鍋爐蒸汽流量計不經(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。 

1．2鍋爐蒸汽流量計的適用情況 

鍋爐蒸汽流量計不適用于測量低雷諾系數(shù)(Re≤2×104少)流體。低雷諾系數(shù)時，斯特勞哈數(shù)隨著雷諾系數(shù)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(chǎn)生，選型的一個限制條件是不能使用于界限雷諾系數(shù)之下。 

鍋爐蒸汽流量計適用的流體比較廣泛，但對于流體的臟污性質(zhì)要注意。含固體微粒的流體對旋渦發(fā)生體的沖刷會產(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)。 

鍋爐蒸汽流量計在混相流體中的應(yīng)用經(jīng)驗還很少，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。 

脈動流和旋轉(zhuǎn)流會對鍋爐蒸汽流量計產(chǎn)生嚴(yán)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(shè)備，使渦街信號產(chǎn)生“鎖定(lock-in)”現(xiàn)象，這時信號固定于某一頻率。“鎖定”與脈動幅值、旋渦發(fā)生體形狀及堵塞比等有關(guān)。鍋爐蒸汽流量計的正常工作的脈動閉值尚待試驗確定。80年代以來國內(nèi)外流量測量工作者己對鍋爐蒸汽流量計在混相流、脈動流中的應(yīng)用開展許多試驗研究，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)己發(fā)布的技術(shù)報告中亦關(guān)注這方面內(nèi)容。 

1．3鍋爐蒸汽流量計的經(jīng)濟(jì)性 

在眾多的流量計中，鍋爐蒸汽流量計的經(jīng)濟(jì)性較好，是一種經(jīng)濟(jì)實惠的流量計。鍋爐蒸汽流量計的基本性能處于中等偏上水平，購置費低于質(zhì)量式、電磁式、容積式等，而安裝、運行、維護(hù)費低于節(jié)流式、容積式、渦輪式等，如僅作為控制系統(tǒng)檢測儀表可采用干校方式節(jié)省周期校驗費用。 

2超高溫鍋爐數(shù)字鍋爐蒸汽流量計系統(tǒng)概述 

2．1工作原理 

在流體中設(shè)置旋渦發(fā)生體(阻流體)，從旋渦發(fā)生體兩側(cè)交替地產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦，這種旋渦稱為卡門渦街，如圖1所示。旋渦列在旋渦發(fā)生體下游非對稱地排列。設(shè)旋渦的發(fā)生頻率為f，被測介質(zhì)來流的平均速度為U，旋渦發(fā)生體迎面寬度為d，表體通徑為D，根據(jù)卡門渦街原理，有如下關(guān)系式 

f=SrUl／d=SrU／md (1) 

式中U1--旋渦發(fā)生體兩側(cè)平均流速，m／s； 

Sr—斯特勞哈爾數(shù)： 

m—旋渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積與管道橫截面面積之比 

式中K--流量計的儀表系數(shù)，脈沖數(shù)／m3(p／m3)。 

K除與旋渦發(fā)生體、管道的幾何尺寸有關(guān)外，還與斯特勞哈爾數(shù)有關(guān)。斯特勞哈爾數(shù)為無量綱參數(shù)，它與旋渦發(fā)生體形狀及雷諾數(shù)有關(guān)，圖2所示為圓柱狀旋渦發(fā)生體的斯特勞哈爾數(shù)與管道雷諾數(shù)的關(guān)系圖。由圖可見，在ReD=2x104～7x106范圍內(nèi)，sr可視為常數(shù)，這是儀表正常工作范圍。當(dāng)測量氣體流量時，VSF的流量計算式為 

式中qv．qv--分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(0oC或20oC，101．325kPa)和工況下的體積流量，m3/h； 

Pn．p--分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下和工況下的絕對壓力，Pa； 

Tn．T--分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下和工況下的熱力學(xué)溫度，K； 

Zn．Z--分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下和工況下氣體壓縮系數(shù)。 

由上式可見。VSF輸出的脈沖頻率信號不受流體物性和組分變化的影響。即儀表系數(shù)在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)僅與旋渦發(fā)生體及管道的形狀尺寸等有關(guān)。但是作為流量計在物料平衡及能源計量中需檢測質(zhì)量流量，這時流量計的輸出信號應(yīng)同時監(jiān)測體積流量和流體密度，流體物性和組分對流量計量還是有直接影響的。　　 

2．2鍋爐蒸汽流量計結(jié)構(gòu) 

VSF由傳感器和轉(zhuǎn)換器兩部分組成，如圖3所示。傳感器包括旋渦發(fā)生體(阻流體)、檢測元件、儀表表體等；轉(zhuǎn)換器包括前置放大器、濾波整形電路、D／A轉(zhuǎn)換電路、輸出接口電路、端子、支架和防護(hù)罩等。近年來智能式流量計還把微處理器、顯示通訊及其他功能模塊亦裝在轉(zhuǎn)換器內(nèi)。 

圖3鍋爐蒸汽流量計 

(1)旋渦發(fā)生體 

旋渦發(fā)生體是檢測器的主要部件，它與儀表的流量特性(儀表系數(shù)、線性度、范圍度等)和阻力特性(壓力損失)密切相關(guān)，對它的要求如下。 

1)能控制旋渦在旋渦發(fā)生體軸線方向上同步分離： 

2)在較寬的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，有穩(wěn)定的旋渦分離點，保持恒定的斯特勞哈爾數(shù)： 

3)能產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦街，信號的信噪比高： 

4)形狀和結(jié)構(gòu)簡單，便于加工和幾何參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，以及各種檢測元件的安裝和組合： 

5)材質(zhì)應(yīng)滿足流體性質(zhì)的要求，耐腐蝕，耐磨蝕，耐溫度變化 

6)固有頻率在渦街信號的頻帶外。 

已經(jīng)開發(fā)出形狀繁多的旋渦發(fā)生體，它可分為單旋渦發(fā)生體和多旋渦發(fā)生體兩類，如圖4所示。單旋渦發(fā)生體的基本形有圓柱、矩形柱和三角柱，其他形狀皆為這些基本形的變形。三角柱形旋渦發(fā)生體是應(yīng)用*廣泛的一種，如圖5所示。圖中D為儀表口徑。為提高渦街強(qiáng)度和穩(wěn)定性，可采用多旋渦發(fā)生體，不過它的應(yīng)用并不普。 

(2)檢測元件 

流量計檢測旋渦信號有5種方式。 

1)用設(shè)置在旋渦發(fā)生體內(nèi)的檢測元件直接檢測發(fā)生體兩側(cè)差壓： 

2)旋渦發(fā)生體上開設(shè)導(dǎo)壓孔，在導(dǎo)壓孔中安裝檢測元件檢測發(fā)生體兩側(cè)差壓： 

3)檢測旋渦發(fā)生體周圍交變環(huán)流： 

4)檢測旋渦發(fā)生體背面交變差壓： 

5)檢測尾流中旋渦列。 

根據(jù)這5種檢測方式，采用不同的檢測技術(shù)(熱敏、超聲、應(yīng)力、應(yīng)變、電容、電磁、光電、光纖等)可以構(gòu)成不同類型的VSF。 

(3) 轉(zhuǎn)換器 

檢測元件把渦街信號轉(zhuǎn)換成電信號，該信號既微弱又含有不同成分的噪聲，必須進(jìn)行放大、濾波、整形等處理才能得出與流量成比例的脈沖信號。不同檢測方式應(yīng)配備不同特性的前置放大器。轉(zhuǎn)換器原理框圖如圖4所示。 

圖4 A：轉(zhuǎn)換器原理框圖B：數(shù)字鍋爐蒸汽流量計框圖 

3數(shù)字流量計運用于超高溫鍋爐 

濕飽和蒸汽在熱網(wǎng)系統(tǒng)中普遍存，鍋爐產(chǎn)出的飽和蒸汽一般都含有少許的水分，通過分汽缸、熱力管網(wǎng)送至用戶，由于管網(wǎng)的熱損失，蒸汽的水分含量必然增多，導(dǎo)致蒸汽流量減少。 

在計劃經(jīng)濟(jì)時代，供熱按樓房面積收費，不存在蒸汽計量收費問題。近年來，隨著市場經(jīng)濟(jì)的不斷深入，蒸汽流量必須按計量收費，因此蒸汽的熱損耗問題也提了出來。目前，行政上普遍執(zhí)行的辦法是由用戶多交10％的蒸汽費用，以補(bǔ)償蒸汽損耗。這種辦法也有一定缺點，用戶多交10％沒有科學(xué)依據(jù)，其一，濕飽和蒸汽水分含量與熱力管道的長短有關(guān)，短熱力管道能平衡減少的蒸汽量，而長熱力管道則平衡不了減少的蒸汽量。其二，對那些間斷使用蒸汽的用戶更無法平衡，有些企業(yè)白天上班使用幾小時蒸汽，下班后整個晚上都不使用蒸汽，直到*二天上班再用，通過一整夜的冷卻，熱力管道中的蒸汽全凝結(jié)成水，這種蒸汽的損失就不是10％。由于這些客觀原因。熱力廠不能做到自負(fù)盈虧，而需要政府補(bǔ)助。 

比較合理的作法是熱力廠出口的總流量認(rèn)為是干飽和汽，用流量表計量并作為貿(mào)易結(jié)算的基準(zhǔn)流量。各個用戶的蒸汽流量為濕飽和蒸汽，按汽水兩相流計量，根據(jù)物質(zhì)不滅定律，各個用戶的蒸汽質(zhì)量流量之和與熱力廠出口的總蒸汽質(zhì)量流量應(yīng)相等，這就需要流量儀表準(zhǔn)確測量總管的質(zhì)量流量和分管的質(zhì)量流量。 

汽水兩相流的流量測量除了要確定單相流涉及的流量參數(shù)外，還必須要確定干度(即濕蒸汽的水分含量)，鍋筒出口的蒸汽干度可用電導(dǎo)率法測量，熱網(wǎng)管道的蒸汽干度可用熱平衡法測量，也可用頻譜分析法測量。汽水兩相流比單相流要復(fù)雜得多，由于汽與水的密度相差甚遠(yuǎn)，兩者的流速是不等的，密度大的速度快，密度小的速度慢。這種速度差又與干度高低、蒸汽壓力和流量大小等多種因素有關(guān)，因此濕飽和蒸汽流量數(shù)學(xué)模型比干飽和蒸汽流量數(shù)學(xué)模型要復(fù)雜得多。但是，經(jīng)過幾十年的實驗研究，濕飽和蒸汽的測量技術(shù)已經(jīng)成熟，目前濕飽和蒸汽數(shù)學(xué)模型精度可達(dá)±0．6％，這個計算精度完全滿足濕飽和蒸汽流量計量要求。 

3．1系統(tǒng)方案 

據(jù)飽和蒸汽壓力、溫度和密度相對應(yīng)的關(guān)系，只需選擇壓力或溫度其中一項來對流量進(jìn)行補(bǔ)償計算即可考慮。蘭州石化公司煉油裝置內(nèi)的飽和蒸汽管路都較長，壓力波動較大，適宜采用壓力補(bǔ)償。 

LUB系列鍋爐蒸汽流量計防爆等級為ExiaCT2～T4，它必須與已取得防爆合格證的本安關(guān)聯(lián)設(shè)備(防爆標(biāo)志：ExiaC)配套組成本安防爆系統(tǒng)。 

3．2鍋爐蒸汽流量計的選型 

根據(jù)用戶提供的所測飽和蒸汽的壓力(溫度)、流量范圍、管道直徑等參數(shù)，選擇相應(yīng)規(guī)格的LUB系列鍋爐蒸汽流量計。所測飽和蒸汽的流量范圍應(yīng)處于所選流量計的測量范圍內(nèi)，并*好處于流量計的*佳工作范圍，即流量計量程的50％～67％處。對于管道直徑與流量計內(nèi)徑不一致的，可采取縮徑或擴(kuò)管的方法。 

3．3流量積算儀的參數(shù)設(shè)置 

選用的FC20系列流量積算儀提供了1種流量補(bǔ)償算法，基本可滿足各種測量介質(zhì)的流量補(bǔ)償計算，可顯示瞬時流量和累積流量等參數(shù)，并且可輸出標(biāo)準(zhǔn)模擬信號供控制和記錄，還提供標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)RS2485串行通訊接口。要使用流量積算儀的飽和蒸汽的壓力補(bǔ)償算法，就需要先進(jìn)入流量積算儀的參數(shù)設(shè)置狀態(tài)，選擇飽和蒸汽壓力補(bǔ)償模式，設(shè)置流量單位為千克每 

4智能數(shù)字鍋爐蒸汽流量計的設(shè)計簡述 

智能數(shù)字鍋爐蒸汽流量計是以微處理器為核心，具有自動調(diào)零，線性化，自動補(bǔ)償環(huán)境因素變化功能，并配以圖形顯示直觀的表達(dá)測量結(jié)果的嵌入式數(shù)字智能鍋爐蒸汽流量計的要求。圖5是該系統(tǒng)傳感器基本技術(shù)原理示意圖。(本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。)