工业涡街流量计的发展历程

在自然界中，存在许多流体振动现象。例如旗帜在风中飘扬；野外架空电线在风中发出的嗡嗡声响；小溪流使水中的水草、禾苗、小树干频频摆动等，都是流体振动现象的具体表现。在流体振动（hydrodynamic oscillation）现象中，·流体振动频率与流速之间存在着对应关系。应用这种原理测量流量的仪表主要包括旋涡分离流量计(Vortex Shedding Flowmeter)常称涡街流量计；旋涡进动流量计（Vortex Precessing Flowmeter）常称旋进旋涡流量计；射流流量计（Fluidic Flowmeter）。
自20世纪60年代中期开始，美、欧各国和日本的科学家先后以不同的方式投人流体振动流量计的研究。到60年代末和70年代初，先后出现了以上三种流量计。因制造、应用和推广方面的原因，三种流量计的发展情况有所不同。涡街流量计的特点发挥得比较充分，被用户接受较早，发展最迅速。其他两种仪表发展相对缓慢些，但这几年也逐步在推广。
    古时候，人们就注意到风可以使拉紧的琴弦发出不同的声音。也有半夜里，挂在床头墙壁的自鸣琴，被夜风吹得发出声响，把主人从梦中唤醒的记载。16世纪中期，著名画家、科学家达·芬奇就在他的作品中描绘了插人水中钝体的后方出现的旋涡列。
    世界上最早研究涡街现象的人是匈牙利物理学家斯特劳哈尔（Strouhal）。1878年，在他指导的实验中发现：在风的作用下，一根细弦丝发声的音调与风速成正比，而与弦丝的直径成反比。
    1879年，罗德·拉雷特（玩rd．R五deight）发现：旋涡引起流体振动时，振动方向与流动方向相垂直；他还观察到：琴弦的固有音调与风对其作用的音调相吻合时，声响会骤然增大。
    1908年贝纳德（Ben耐）指出了圆柱体后方尾流的周期性与旋涡的形成和排列有关。
    1912年，德国物理学家冯·卡曼（Von．Kallnan）在进行了大量实验观察的基础上，研究了涡街的稳定性，并发表了关于无限大均匀流场中涡街稳定条件的著名论文。从数学上证明了圆柱体下游形成涡街的稳定条件。卡曼的这一结论为涡街流量计的发展与应用奠定了理论基础。
    然而，人们早期对涡街现象研究的主要目的却是为了防灾。随着工业发展，特别是航空工业的发展，发现了涡街形成对生产和建筑设施的破坏作用，例如高层建筑物、桥梁、塔架、港口设施、船舶桅杆、缆绳、钻井平台支架等，在大风浪中遭破坏；锅炉排管、热交换器中的汇管、管道中的测温套管的损坏或折断都与涡街形成有关。因此，在较长时间内，学者们都在观察和研究涡街形成的规律性，探索涡街产生破坏作用的原因，寻找防止这种破坏作用的方法。20世纪中期，就有学者声称：人类与旋涡危害作用的斗争已持续了近半个世纪。
    事物总是存在着两面性，当一些人在研究防止涡街破坏作用的时候，也有另一些人则在探讨如何利用涡街现象和原理做些有益的工作，应用卡曼涡街测量流体流速的设想就是其中之一。这种设想最先见于1935年的美国专利。到20世纪50年代，美国科学家罗什科（Roshko）提出了应用卡曼涡街测量风速的可能性，并进行了有关试验。1960年，在日本志波号船上，进行了应用卡曼涡街原理测量船速的试验。
    以上各项试验研究工作，均是在无限大的两维均匀流场条件下进行的。在三维的管流流场中，进行涡街测量流量的研究工作。则要推迟到20世纪60年代中期。在这期间，日本、美国和前苏联等国的科学家相继开展了涡街流量计的研究和开发工作。
  1967年日本学者土屋喜一和山崎弘郎研究应用涡街原理测量圆管流量时，就在圆管中垂直地放置一圆柱体，在圆柱体下游设置了可绕固定轴转动的金属小旗。流体流动时，涡街的作用使小旗左右摆动，以此检测旋涡信号，进行流量测量试验。
    1969年山崎弘郎等人研究成功热丝检测法涡街流量计。采用的旋涡发生体（以下简称发生体）为圆柱体。这一成果最终由横河电机制作所推出商品化涡街流量计。几乎同时，‘美国East-ech公司研制成功热敏电阻检测法涡街流量计，这种流量计采用三角柱发生体，后来被日本OVAL公司引进。
    这两种仪表，成为涡街流量计的先导，在钢铁、石油、化工等行业获得应用。其特点引起各方面的关注，也向世人预示出涡街流量计光明的未来。
    70年代是涡街流量计进人快速发展的时期，各种新型的检测方法和新产品纷纷问世，让人目不暇接。,70年代各国仪表公司推出的涡街流量计新产品大致有
    （美）西屋公司（Westing House）应用超声检测技术推出超声式涡街流量计；
    （日）北辰电机厂应用应变检测技术开发成功应变式涡街流量计；
    （美）伊斯特克公司（Eastech）推出第二种涡街流量计，即应用磁电检测技术的振动体式涡街流量计间世；
    （英）肯特（Kent）公司采用电容检测技术和矩型发生体，向用户提供了电容式涡街流量计；
    （美）Ficher＆Porter公司应用应变检测技术，把增强型应变式涡街流量计奉献给用户；
    （美）Foxboro公司采用压电检测技术和用T形发生体，把用压电元件加膜片作为检测元件的涡街流量计推向市场子
    （日）横河经过近10年潜心研制，用压电检测技术和梯型发生体，继热丝式涡街流量计后，推出该公司的第二种涡街流量计产品一应力式涡街流量计。
    进人80年代，涡街流量计的发展强势如初，新产品继续推出，老产品不断改进提高。
    （美）Fishercont功1岛公司研制出双发生体应力式涡街流量计；
    （德）E＋H公司和（英）肯特公司应用压电检测技术，分别开发成功检测元件内插式和检测元件后置式的涡街流量计；
    （美）Rcher诬巧ner公司开成功发双发生体和双检测元件应力式涡街流量计，并首先在安装使用书中向客户提供干标定技术指标；
    （日）东京计装诛式会社开发成功光电式涡街流量计；到80年代后期，美、欧和日本等国已分别有10家左右企业生产各种涡街流量计产品，据有关资料介绍，1987．年世界涡
街流量计的产量接近四万台。
    涡街流量计发展的一个重要里程碑就是产品的标准化工作受到各国的重视。美国、日本、德国等发达国家先后制定、颁布了本国的涡街流量计产品标准。1987年美国把机械工业标准上升为国家标准AS加叮ANsl MFC‘币M一1987；1989年日本颁布了工业标准JIS 2 8766一1989；德国也颁布了涡街流量计的产品标准。在各主要国家颁布了标准后，国际标准化组织（巧0）着手制定涡街流量计的国际标准，并于1993年以标准草案（巧0／CD12764）的形式发布。这些都标志涡街流量计的开发、制造和应用进人了规范化时代。
    90年代以来，涡街流量计的发展，主要在以下几方面取得显著进步：
    （l）技术基础性工作向更深层次发展。在日本，开展涡街流量计干标定的研究试验工作，并深人进行取得成果。为体现这方面的成功，他们对1989年版工业标准进行了修订、增补，增加了标准发生体及各部分尺寸对斯特劳哈尔数影响灵敏度方面的内容和涡街流量计安装影响方面的内容。这就是JISz8766：2（X）2的新版本。
    （2）信号处理技术方面向数字化方向发展。从常规的有源滤波器的应用，向跟踪滤波、自适应滤波和数字频谱分析应用方向发展，提高了涡街流量计的精度、抗干扰能力和测量范
围度。
    （3）向一体化、智能化、多参数检测方向发展，现场总线技术被引人涡街流一量计领域中，现场总线智能型涡街流量计，将成为现场总线系统（FCS）中的重要仪表之一。
    （4）国内外都开展质量型涡街流量计的研究开发。涡街流量计测量质量流量从间接式质量流量计向直接式质量流量计发展。
    在我国，涡街流量计的发展也另人瞩目。70年代初期，重庆工业自动化仪表研究所、北京公用事业研究所率先投人涡街流量计的研究开发。后来银河仪表厂、开封仪表厂也参与了这方面工作。70年代中期，天津市工业自动化仪表研究所、冶金部自动化研究所等也相继投了涡街流量计的研究开发工作。
    至1950年，国内先后开发成功热敏式（包括热丝检测法和热敏电阻检测法）、超声式涡街流量计。两年后，又相继推出了应力式涡街流量计，随后应变式和振动体式涡街流量计接踵而来。
    整个50年代，是我国涡街流量计发展势头旺盛的时期，应力式涡街流量计成为热点，据1987年一次会议上统计；全国从事涡街流量计开发、生产的企业已有20余家。
    50年代中期以后，我国涡街流量计发展的另一重要方面就是国外技术的引进。部分有条件的企业陆续引进了日本横河、美国Eastech、德国E＋H、日本OVAL等公司的应力式、热敏式、振动体（圆盘）式和差动开关电容式涡街流量计的成熟产品。与此同时，国家也投人部分资金支持企、事业单位开发涡街流量计新产品。重庆工业自动化仪表研究所承担了特殊化工介质用的防腐型涡街流量计和质量型涡街流量计的研究开发；北京公用事业研究所事另一种质量型涡街流量计的开发；冶金部长沙矿山研究院从事了双发生体应力式涡街流量计开发；上海计量测试研究所开发了耐高温应力式涡街流量计的检测元件等，这些研究开发项目都取得了高水平成果。国内的一些企业，对涡街流量计也情有独钟，通过技术转让或合作开发的形式，加人涡街流量计的开发、生产行列。据1992年统计，我国开发生产涡街流量计的企业和事业单位就达30多家，年产量达到8000一9000台。
    80年代中期，涡街流量计的技术基础工作也深人开展。1987年由上海工业自动化仪表研究所和中国计量科学研究院牵头，国内十多家单位参加，开始制订涡街流量传感器的行业标准和国家计量检定规程。标准与规程于1989年颁布，对规范我国涡街流量计的开发、生产、应用发挥了作用。
    涡街流量计的干标定技术曾受到各方面的关注。从80年代初期开始，国内的一些专家学者在分析了涡街流量计的特点后就意识到涡街流量计干标定的可能性。80年代中期他们结合节流装置标准化的进程，提出了涡街流量计干标定的设想，并在全国流量行业发展规划会议上提出建议。国家采纳了专家们的建议，把该项工作列人国家“七五”科技攻关计划中，由重庆工业自动化仪表研究所牵头，承担了涡街流量计干标定试验研究工作。几年中，进行了大量的试验研究取得阶段性成果。
    90年代中期以后，我国涡街流量计的发展向一体化、多参数检测、智能化方向发展，并取得不俗成绩，不少企业推出了智能化产品。
    任何事物的发展，都不可能是一帆风顺的，涡街流量计的发展也是一样。经过80年代中、后期发展的一片艳阳天之后，从90年代初期开始，涡街流量计的发展放慢了步伐。由于对这种新型仪表的生产、设计、选型、应用方面的经验不足，面对各行各业千差万别的现场和测量对象，有些问题逐步暴露出来。例如适用对象与测量范围问题、量程与测量管径的选择问题、安装影响问题、应力式涡街流量计抗现场干扰（包括管道振动和电磁干扰）问题、检测元件的耐高温问题、涡街流量计变送器与自控系统的适配间题，还有产品制造质量问题、产品出厂标定问题等等。这些问题导致涡街流量计在部分现场应用不能取得满意的效果，用户有意见，设计单位有苦衷，生产企业疲于应急。
    这些问题引发了一些专家对设计、选用涡街流量计的反思，并发出设计和选用涡街流量计要慎重的呼吁。一段时间里，包括进口仪表在内，设计院和用户都心有余悸，“涡街热”开始降温，涡街流量计出现了低潮。
    涡街流量计出现这种局面并不是坏事，是事物发展曲折性的具体表现。这种局面的出现，可让开发、生产、设计、应用等各环节的有关人员都引起重视。开发、生产单位还应潜心研
究，解决涡街流量计产品的薄弱环节、．提高产品的性能和制造质量，产品的宣传应更加客观；这种局面的出现，提醒了设计单位和用户在产品的选型和应用方面更加谨慎，加强与生产厂家的沟通与合作；这种局面的出现，也引起了产品格局的演变，部分技术力量薄弱、生产设备和测试条件不足，难以保证产品质量，不能为用户提供优质服务的企业，逐步被市场淘汰。
    跨人21世纪，经历了风雨洗礼的涡街流量计已逐步走出了低谷，走上了平稳发展的道路，随着国家经济建设发展，涡街流量计在各领域的应用逐步扩大。随着产品质量的提高，设计、选型、安装、使用的规范化，售前、后服务的加强，现场故障率的下降，用户的满意度有所提高，信心有所恢复。
    20世纪90年代中后期，我们也看到不少涡街流量计在企业应用取得成功的报道和论文。这些文章从不同的方面对孔板流量计与涡街流量计的技术特点、技术参数进行对比，认为涡街流量计是一种值得推广的有广阔发展前景的流量仪表。
    90年代后期以来，智能型涡街流量计投人市场。它克服了常规型涡街流量计的不足，而涡街流量计的固有优点继续发挥，使涡街流量计的性能、功能、质量上了一个新台阶。据有关专家提供的信息，到2004年初，我国涡街流量计的开发、生产又出现了新局面，生产企业已超过200家，年产量超过．3万台。有的省（市）生产、经营涡街流量计产品的企业就有20余家。
    相信，在开发、制造、应用的各个环节共有努力下，在方方面面的关心、呵护和支持下，年轻的涡街流量计定会发展、壮大，成为流量仪表大家庭中的重要成员。