渦街流量計的發(fā)展概況

在自然界中，存在許多流體振動現(xiàn)象。例如旗幟在風(fēng)中飄揚；野外架空電線在風(fēng)中發(fā)出的嗡嗡聲響；小溪流使水中的水草、禾苗、小樹干頻頻擺動等，都是流體振動現(xiàn)象的具體表現(xiàn)。在流體振動（hydrodynamic oscillation）現(xiàn)象中，·流體振動頻率與流速之間存在著對應(yīng)關(guān)系。應(yīng)用這種原理測量流量的儀表主要包括旋渦分離流量計(Vortex Shedding Flowmeter)常稱渦街流量計；旋渦進動流量計（Vortex Precessing Flowmeter）常稱旋進旋渦流量計；射流流量計（Fluidic Flowmeter）。
自20世紀(jì)60年代中期開始，美、歐各國和日本的科學(xué)家先后以不同的方式投人流體振動流量計的研究。到60年代末和70年代初，先后出現(xiàn)了以上三種流量計。因制造、應(yīng)用和推廣方面的原因，三種流量計的發(fā)展情況有所不同。渦街流量計的特點發(fā)揮得比較充分，被用戶接受較早，發(fā)展最迅速。其他兩種儀表發(fā)展相對緩慢些，但這幾年也逐步在推廣。
古時候，人們就注意到風(fēng)可以使拉緊的琴弦發(fā)出不同的聲音。也有半夜里，掛在床頭墻壁的自鳴琴，被夜風(fēng)吹得發(fā)出聲響，把主人從夢中喚醒的記載。16世紀(jì)中期，著名畫家、科學(xué)家達(dá)·芬奇就在他的作品中描繪了插人水中鈍體的后方出現(xiàn)的旋渦列。
世界上最早研究渦街現(xiàn)象的人是匈牙利物理學(xué)家斯特勞哈爾（Strouhal）。1878年，在他指導(dǎo)的實驗中發(fā)現(xiàn)：在風(fēng)的作用下，一根細(xì)弦絲發(fā)聲的音調(diào)與風(fēng)速成正比，而與弦絲的直徑成反比。
1879年，羅德·拉雷特（玩rd．R五deight）發(fā)現(xiàn)：旋渦引起流體振動時，振動方向與流動方向相垂直；他還觀察到：琴弦的固有音調(diào)與風(fēng)對其作用的音調(diào)相吻合時，聲響會驟然增大。
1908年貝納德（Ben耐）指出了圓柱體后方尾流的周期性與旋渦的形成和排列有關(guān)。
1912年，德國物理學(xué)家馮·卡曼（Von．Kallnan）在進行了大量實驗觀察的基礎(chǔ)上，研究了渦街的穩(wěn)定性，并發(fā)表了關(guān)于無限大均勻流場中渦街穩(wěn)定條件的著名論文。從數(shù)學(xué)上證明了圓柱體下游形成渦街的穩(wěn)定條件?？倪@一結(jié)論為渦街流量計的發(fā)展與應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。
然而，人們早期對渦街現(xiàn)象研究的主要目的卻是為了防災(zāi)。隨著工業(yè)發(fā)展，特別是航空工業(yè)的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)了渦街形成對生產(chǎn)和建筑設(shè)施的破壞作用，例如高層建筑物、橋梁、塔架、港口設(shè)施、船舶桅桿、纜繩、鉆井平臺支架等，在大風(fēng)浪中遭破壞；鍋爐排管、熱交換器中的匯管、管道中的測溫套管的損壞或折斷都與渦街形成有關(guān)。因此，在較長時間內(nèi)，學(xué)者們都在觀察和研究渦街形成的規(guī)律性，探索渦街產(chǎn)生破壞作用的原因，尋找防止這種破壞作用的方法。20世紀(jì)中期，就有學(xué)者聲稱：人類與旋渦危害作用的斗爭已持續(xù)了近半個世紀(jì)。
事物總是存在著兩面性，當(dāng)一些人在研究防止渦街破壞作用的時候，也有另一些人則在探討如何利用渦街現(xiàn)象和原理做些有益的工作，應(yīng)用卡曼渦街測量流體流速的設(shè)想就是其中之一。這種設(shè)想最先見于1935年的美國專利。到20世紀(jì)50年代，美國科學(xué)家羅什科（Roshko）提出了應(yīng)用卡曼渦街測量風(fēng)速的可能性，并進行了有關(guān)試驗。1960年，在日本志波號船上，進行了應(yīng)用卡曼渦街原理測量船速的試驗。
以上各項試驗研究工作，均是在無限大的兩維均勻流場條件下進行的。在三維的管流流場中，進行渦街測量流量的研究工作。則要推遲到20世紀(jì)60年代中期。在這期間，日本、美國和前蘇聯(lián)等國的科學(xué)家相繼開展了渦街流量計的研究和開發(fā)工作。
1967年日本學(xué)者土屋喜一和山崎弘郎研究應(yīng)用渦街原理測量圓管流量時，就在圓管中垂直地放置一圓柱體，在圓柱體下游設(shè)置了可繞固定軸轉(zhuǎn)動的金屬小旗。流體流動時，渦街的作用使小旗左右擺動，以此檢測旋渦信號，進行流量測量試驗。
1969年山崎弘郎等人研究成功熱絲檢測法渦街流量計。采用的旋渦發(fā)生體（以下簡稱發(fā)生體）為圓柱體。這一成果最終由橫河電機制作所推出商品化渦街流量計。幾乎同時，‘美國East-ech公司研制成功熱敏電阻檢測法渦街流量計，這種流量計采用三角柱發(fā)生體，后來被日本OVAL公司引進。
這兩種儀表，成為渦街流量計的先導(dǎo)，在鋼鐵、石油、化工等行業(yè)獲得應(yīng)用。其特點引起各方面的關(guān)注，也向世人預(yù)示出渦街流量計光明的未來。
70年代是渦街流量計進人快速發(fā)展的時期，各種新型的檢測方法和新產(chǎn)品紛紛問世，讓人目不暇接。,70年代各國儀表公司推出的渦街流量計新產(chǎn)品大致有
（美）西屋公司（Westing House）應(yīng)用超聲檢測技術(shù)推出超聲式渦街流量計；
（日）北辰電機廠應(yīng)用應(yīng)變檢測技術(shù)開發(fā)成功應(yīng)變式渦街流量計；
（美）伊斯特克公司（Eastech）推出第二種渦街流量計，即應(yīng)用磁電檢測技術(shù)的振動體式渦街流量計間世；
（英）肯特（Kent）公司采用電容檢測技術(shù)和矩型發(fā)生體，向用戶提供了電容式渦街流量計；
（美）Ficher＆Porter公司應(yīng)用應(yīng)變檢測技術(shù)，把增強型應(yīng)變式渦街流量計奉獻(xiàn)給用戶；
（美）Foxboro公司采用壓電檢測技術(shù)和用T形發(fā)生體，把用壓電元件加膜片作為檢測元件的渦街流量計推向市場子
（日）橫河經(jīng)過近10年潛心研制，用壓電檢測技術(shù)和梯型發(fā)生體，繼熱絲式渦街流量計后，推出該公司的第二種渦街流量計產(chǎn)品一應(yīng)力式渦街流量計。
進人80年代，渦街流量計的發(fā)展強勢如初，新產(chǎn)品繼續(xù)推出，老產(chǎn)品不斷改進提高。
（美）Fishercont功1島公司研制出雙發(fā)生體應(yīng)力式渦街流量計；
（德）E＋H公司和（英）肯特公司應(yīng)用壓電檢測技術(shù)，分別開發(fā)成功檢測元件內(nèi)插式和檢測元件后置式的渦街流量計；
（美）Rcher誣巧ner公司開成功發(fā)雙發(fā)生體和雙檢測元件應(yīng)力式渦街流量計，并首先在安裝使用書中向客戶提供干標(biāo)定技術(shù)指標(biāo)；
（日）東京計裝誅式會社開發(fā)成功光電式渦街流量計；到80年代后期，美、歐和日本等國已分別有10家左右企業(yè)生產(chǎn)各種渦街流量計產(chǎn)品，據(jù)有關(guān)資料介紹，1987．年世界渦
街流量計的產(chǎn)量接近四萬臺。
渦街流量計發(fā)展的一個重要里程碑就是產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化工作受到各國的重視。美國、日本、德國等發(fā)達(dá)國家先后制定、頒布了本國的渦街流量計產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。1987年美國把機械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)上升為國家標(biāo)準(zhǔn)AS加叮ANsl MFC‘幣M一1987；1989年日本頒布了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS 2 8766一1989；德國也頒布了渦街流量計的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。在各主要國家頒布了標(biāo)準(zhǔn)后，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（巧0）著手制定渦街流量計的國際標(biāo)準(zhǔn)，并于1993年以標(biāo)準(zhǔn)草案（巧0／CD12764）的形式發(fā)布。這些都標(biāo)志渦街流量計的開發(fā)、制造和應(yīng)用進人了規(guī)范化時代。
90年代以來，渦街流量計的發(fā)展，主要在以下幾方面取得顯著進步：
（l）技術(shù)基礎(chǔ)性工作向更深層次發(fā)展。在日本，開展渦街流量計干標(biāo)定的研究試驗工作，并深人進行取得成果。為體現(xiàn)這方面的成功，他們對1989年版工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進行了修訂、增補，增加了標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生體及各部分尺寸對斯特勞哈爾數(shù)影響靈敏度方面的內(nèi)容和渦街流量計安裝影響方面的內(nèi)容。這就是JISz8766：2（X）2的新版本。
（2）信號處理技術(shù)方面向數(shù)字化方向發(fā)展。從常規(guī)的有源濾波器的應(yīng)用，向跟蹤濾波、自適應(yīng)濾波和數(shù)字頻譜分析應(yīng)用方向發(fā)展，提高了渦街流量計的精度、抗干擾能力和測量范
圍度。
（3）向一體化、智能化、多參數(shù)檢測方向發(fā)展，現(xiàn)場總線技術(shù)被引人渦街流一量計領(lǐng)域中，現(xiàn)場總線智能型渦街流量計，將成為現(xiàn)場總線系統(tǒng)（FCS）中的重要儀表之一。
（4）國內(nèi)外都開展質(zhì)量型渦街流量計的研究開發(fā)。渦街流量計測量質(zhì)量流量從間接式質(zhì)量流量計向直接式質(zhì)量流量計發(fā)展。
在我國，渦街流量計的發(fā)展也另人矚目。70年代初期，重慶工業(yè)自動化儀表研究所、北京公用事業(yè)研究所率先投人渦街流量計的研究開發(fā)。后來銀河儀表廠、開封儀表廠也參與了這方面工作。70年代中期，天津市工業(yè)自動化儀表研究所、冶金部自動化研究所等也相繼投了渦街流量計的研究開發(fā)工作。
至1950年，國內(nèi)先后開發(fā)成功熱敏式（包括熱絲檢測法和熱敏電阻檢測法）、超聲式渦街流量計。兩年后，又相繼推出了應(yīng)力式渦街流量計，隨后應(yīng)變式和振動體式渦街流量計接踵而來。
整個50年代，是我國渦街流量計發(fā)展勢頭旺盛的時期，應(yīng)力式渦街流量計成為熱點，據(jù)1987年一次會議上統(tǒng)計；全國從事渦街流量計開發(fā)、生產(chǎn)的企業(yè)已有20余家。
50年代中期以后，我國渦街流量計發(fā)展的另一重要方面就是國外技術(shù)的引進。部分有條件的企業(yè)陸續(xù)引進了日本橫河、美國Eastech、德國E＋H、日本OVAL等公司的應(yīng)力式、熱敏式、振動體（圓盤）式和差動開關(guān)電容式渦街流量計的成熟產(chǎn)品。與此同時，國家也投人部分資金支持企、事業(yè)單位開發(fā)渦街流量計新產(chǎn)品。重慶工業(yè)自動化儀表研究所承擔(dān)了特殊化工介質(zhì)用的防腐型渦街流量計和質(zhì)量型渦街流量計的研究開發(fā)；北京公用事業(yè)研究所事另一種質(zhì)量型渦街流量計的開發(fā)；冶金部長沙礦山研究院從事了雙發(fā)生體應(yīng)力式渦街流量計開發(fā)；上海計量測試研究所開發(fā)了耐高溫應(yīng)力式渦街流量計的檢測元件等，這些研究開發(fā)項目都取得了高水平成果。國內(nèi)的一些企業(yè)，對渦街流量計也情有獨鐘，通過技術(shù)轉(zhuǎn)讓或合作開發(fā)的形式，加人渦街流量計的開發(fā)、生產(chǎn)行列。據(jù)1992年統(tǒng)計，我國開發(fā)生產(chǎn)渦街流量計的企業(yè)和事業(yè)單位就達(dá)30多家，年產(chǎn)量達(dá)到8000一9000臺。
80年代中期，渦街流量計的技術(shù)基礎(chǔ)工作也深人開展。1987年由上海工業(yè)自動化儀表研究所和中國計量科學(xué)研究院牽頭，國內(nèi)十多家單位參加，開始制訂渦街流量傳感器的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國家計量檢定規(guī)程。標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)程于1989年頒布，對規(guī)范我國渦街流量計的開發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用發(fā)揮了作用。
渦街流量計的干標(biāo)定技術(shù)曾受到各方面的關(guān)注。從80年代初期開始，國內(nèi)的一些專家學(xué)者在分析了渦街流量計的特點后就意識到渦街流量計干標(biāo)定的可能性。80年代中期他們結(jié)合節(jié)流裝置標(biāo)準(zhǔn)化的進程，提出了渦街流量計干標(biāo)定的設(shè)想，并在全國流量行業(yè)發(fā)展規(guī)劃會議上提出建議。國家采納了專家們的建議，把該項工作列人國家“七五”科技攻關(guān)計劃中，由重慶工業(yè)自動化儀表研究所牽頭，承擔(dān)了渦街流量計干標(biāo)定試驗研究工作。幾年中，進行了大量的試驗研究取得階段性成果。
90年代中期以后，我國渦街流量計的發(fā)展向一體化、多參數(shù)檢測、智能化方向發(fā)展，并取得不俗成績，不少企業(yè)推出了智能化產(chǎn)品。
任何事物的發(fā)展，都不可能是一帆風(fēng)順的，渦街流量計的發(fā)展也是一樣。經(jīng)過80年代中、后期發(fā)展的一片艷陽天之后，從90年代初期開始，渦街流量計的發(fā)展放慢了步伐。由于對這種新型儀表的生產(chǎn)、設(shè)計、選型、應(yīng)用方面的經(jīng)驗不足，面對各行各業(yè)千差萬別的現(xiàn)場和測量對象，有些問題逐步暴露出來。例如適用對象與測量范圍問題、量程與測量管徑的選擇問題、安裝影響問題、應(yīng)力式渦街流量計抗現(xiàn)場干擾（包括管道振動和電磁干擾）問題、檢測元件的耐高溫問題、渦街流量計變送器與自控系統(tǒng)的適配間題，還有產(chǎn)品制造質(zhì)量問題、產(chǎn)品出廠標(biāo)定問題等等。這些問題導(dǎo)致渦街流量計在部分現(xiàn)場應(yīng)用不能取得滿意的效果，用戶有意見，設(shè)計單位有苦衷，生產(chǎn)企業(yè)疲于應(yīng)急。
這些問題引發(fā)了一些專家對設(shè)計、選用渦街流量計的反思，并發(fā)出設(shè)計和選用渦街流量計要慎重的呼吁。一段時間里，包括進口儀表在內(nèi)，設(shè)計院和用戶都心有余悸，“渦街熱”開始降溫，渦街流量計出現(xiàn)了低潮。
渦街流量計出現(xiàn)這種局面并不是壞事，是事物發(fā)展曲折性的具體表現(xiàn)。這種局面的出現(xiàn)，可讓開發(fā)、生產(chǎn)、設(shè)計、應(yīng)用等各環(huán)節(jié)的有關(guān)人員都引起重視。開發(fā)、生產(chǎn)單位還應(yīng)潛心研
究，解決渦街流量計產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)、．提高產(chǎn)品的性能和制造質(zhì)量，產(chǎn)品的宣傳應(yīng)更加客觀；這種局面的出現(xiàn)，提醒了設(shè)計單位和用戶在產(chǎn)品的選型和應(yīng)用方面更加謹(jǐn)慎，加強與生產(chǎn)廠家的溝通與合作；這種局面的出現(xiàn)，也引起了產(chǎn)品格局的演變，部分技術(shù)力量薄弱、生產(chǎn)設(shè)備和測試條件不足，難以保證產(chǎn)品質(zhì)量，不能為用戶提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)的企業(yè)，逐步被市場淘汰。
跨人21世紀(jì)，經(jīng)歷了風(fēng)雨洗禮的渦街流量計已逐步走出了低谷，走上了平穩(wěn)發(fā)展的道路，隨著國家經(jīng)濟建設(shè)發(fā)展，渦街流量計在各領(lǐng)域的應(yīng)用逐步擴大。隨著產(chǎn)品質(zhì)量的提高，設(shè)計、選型、安裝、使用的規(guī)范化，售前、后服務(wù)的加強，現(xiàn)場故障率的下降，用戶的滿意度有所提高，信心有所恢復(fù)。
20世紀(jì)90年代中后期，我們也看到不少渦街流量計在企業(yè)應(yīng)用取得成功的報道和論文。這些文章從不同的方面對孔板流量計與渦街流量計的技術(shù)特點、技術(shù)參數(shù)進行對比，認(rèn)為渦街流量計是一種值得推廣的有廣闊發(fā)展前景的流量儀表。
90年代后期以來，智能型渦街流量計投人市場。它克服了常規(guī)型渦街流量計的不足，而渦街流量計的固有優(yōu)點繼續(xù)發(fā)揮，使渦街流量計的性能、功能、質(zhì)量上了一個新臺階。據(jù)有關(guān)專家提供的信息，到2004年初，我國渦街流量計的開發(fā)、生產(chǎn)又出現(xiàn)了新局面，生產(chǎn)企業(yè)已超過200家，年產(chǎn)量超過．3萬臺。有的?。ㄊ校┥a(chǎn)、經(jīng)營渦街流量計產(chǎn)品的企業(yè)就有20余家。
相信，在開發(fā)、制造、應(yīng)用的各個環(huán)節(jié)共有努力下，在方方面面的關(guān)心、呵護和支持下，年輕的渦街流量計定會發(fā)展、壯大，成為流量儀表大家庭中的重要成員。