工業渦街流量計的發展歷程

在自然界中，存在許多流體振動現象。例如旗幟在風中飄揚；野外架空電線在風中發出的嗡嗡聲響；小溪流使水中的水草、禾苗、小樹干頻頻擺動等，都是流體振動現象的具體表現。在流體振動（hydrodynamic oscillation）現象中，·流體振動頻率與流速之間存在著對應關系。應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60年代中期開始，美、歐各國和日本的科學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，先后出現了以上三種流量計。因制造、應用和推廣方面的原因，三種流量計的發展情況有所不同。渦街流量計的特點發揮得比較充分，被用戶接受較早，發展最迅速。其他兩種儀表發展相對緩慢些，但這幾年也逐步在推廣。
    古時候，人們就注意到風可以使拉緊的琴弦發出不同的聲音。也有半夜里，掛在床頭墻壁的自鳴琴，被夜風吹得發出聲響，把主人從夢中喚醒的記載。16世紀中期，著名畫家、科學家達·芬奇就在他的作品中描繪了插人水中鈍體的后方出現的旋渦列。
    世界上最早研究渦街現象的人是匈牙利物理學家斯特勞哈爾（Strouhal）。1878年，在他指導的實驗中發現：在風的作用下，一根細弦絲發聲的音調與風速成正比，而與弦絲的直徑成反比。
    1879年，羅德·拉雷特（玩rd．R五deight）發現：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：琴弦的固有音調與風對其作用的音調相吻合時，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。
    1912年，德國物理學家馮·卡曼（Von．Kallnan）在進行了大量實驗觀察的基礎上，研究了渦街的穩定性，并發表了關于無限大均勻流場中渦街穩定條件的著名論文。從數學上證明了圓柱體下游形成渦街的穩定條件。卡曼的這一結論為渦街流量計的發展與應用奠定了理論基礎。
    然而，人們早期對渦街現象研究的主要目的卻是為了防災。隨著工業發展，特別是航空工業的發展，發現了渦街形成對生產和建筑設施的破壞作用，例如高層建筑物、橋梁、塔架、港口設施、船舶桅桿、纜繩、鉆井平臺支架等，在大風浪中遭破壞；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。因此，在較長時間內，學者們都在觀察和研究渦街形成的規律性，探索渦街產生破壞作用的原因，尋找防止這種破壞作用的方法。20世紀中期，就有學者聲稱：人類與旋渦危害作用的斗爭已持續了近半個世紀。
    事物總是存在著兩面性，當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象和原理做些有益的工作，應用卡曼渦街測量流體流速的設想就是其中之一。這種設想最先見于1935年的美國專利。到20世紀50年代，美國科學家羅什科（Roshko）提出了應用卡曼渦街測量風速的可能性，并進行了有關試驗。1960年，在日本志波號船上，進行了應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60年代中期。在這期間，日本、美國和前蘇聯等國的科學家相繼開展了渦街流量計的研究和開發工作。
  1967年日本學者土屋喜一和山崎弘郎研究應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，在圓柱體下游設置了可繞固定軸轉動的金屬小旗。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。采用的旋渦發生體（以下簡稱發生體）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，在鋼鐵、石油、化工等行業獲得應用。其特點引起各方面的關注，也向世人預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展的時期，各種新型的檢測方法和新產品紛紛問世，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品大致有
    （美）西屋公司（Westing House）應用超聲檢測技術推出超聲式渦街流量計；
    （日）北辰電機廠應用應變檢測技術開發成功應變式渦街流量計；
    （美）伊斯特克公司（Eastech）推出第二種渦街流量計，即應用磁電檢測技術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和矩型發生體，向用戶提供了電容式渦街流量計；
    （美）Ficher＆Porter公司應用應變檢測技術，把增強型應變式渦街流量計奉獻給用戶；
    （美）Foxboro公司采用壓電檢測技術和用T形發生體，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）橫河經過近10年潛心研制，用壓電檢測技術和梯型發生體，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品一應力式渦街流量計。
    進人80年代，渦街流量計的發展強勢如初，新產品繼續推出，老產品不斷改進提高。
    （美）Fishercont功1島公司研制出雙發生體應力式渦街流量計；
    （德）E＋H公司和（英）肯特公司應用壓電檢測技術，分別開發成功檢測元件內插式和檢測元件后置式的渦街流量計；
    （美）Rcher誣巧ner公司開成功發雙發生體和雙檢測元件應力式渦街流量計，并首先在安裝使用書中向客戶提供干標定技術指標；
    （日）東京計裝誅式會社開發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家左右企業生產各種渦街流量計產品，據有關資料介紹，1987．年世界渦
街流量計的產量接近四萬臺。
    渦街流量計發展的一個重要里程碑就是產品的標準化工作受到各國的重視。美國、日本、德國等發達國家先后制定、頒布了本國的渦街流量計產品標準。1987年美國把機械工業標準上升為國家標準AS加叮ANsl MFC‘幣M一1987；1989年日本頒布了工業標準JIS 2 8766一1989；德國也頒布了渦街流量計的產品標準。在各主要國家頒布了標準后，國際標準化組織（巧0）著手制定渦街流量計的國際標準，并于1993年以標準草案（巧0／CD12764）的形式發布。這些都標志渦街流量計的開發、制造和應用進人了規范化時代。
    90年代以來，渦街流量計的發展，主要在以下幾方面取得顯著進步：
    （l）技術基礎性工作向更深層次發展。在日本，開展渦街流量計干標定的研究試驗工作，并深人進行取得成果。為體現這方面的成功，他們對1989年版工業標準進行了修訂、增補，增加了標準發生體及各部分尺寸對斯特勞哈爾數影響靈敏度方面的內容和渦街流量計安裝影響方面的內容。這就是JISz8766：2（X）2的新版本。
    （2）信號處理技術方面向數字化方向發展。從常規的有源濾波器的應用，向跟蹤濾波、自適應濾波和數字頻譜分析應用方向發展，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、多參數檢測方向發展，現場總線技術被引人渦街流一量計領域中，現場總線智能型渦街流量計，將成為現場總線系統（FCS）中的重要儀表之一。
    （4）國內外都開展質量型渦街流量計的研究開發。渦街流量計測量質量流量從間接式質量流量計向直接式質量流量計發展。
    在我國，渦街流量計的發展也另人矚目。70年代初期，重慶工業自動化儀表研究所、北京公用事業研究所率先投人渦街流量計的研究開發。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工作。
    至1950年，國內先后開發成功熱敏式（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，又相繼推出了應力式渦街流量計，隨后應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展勢頭旺盛的時期，應力式渦街流量計成為熱點，據1987年一次會議上統計；全國從事渦街流量計開發、生產的企業已有20余家。
    50年代中期以后，我國渦街流量計發展的另一重要方面就是國外技術的引進。部分有條件的企業陸續引進了日本橫河、美國Eastech、德國E＋H、日本OVAL等公司的應力式、熱敏式、振動體（圓盤）式和差動開關電容式渦街流量計的成熟產品。與此同時，國家也投人部分資金支持企、事業單位開發渦街流量計新產品。重慶工業自動化儀表研究所承擔了特殊化工介質用的防腐型渦街流量計和質量型渦街流量計的研究開發；北京公用事業研究所事另一種質量型渦街流量計的開發；冶金部長沙礦山研究院從事了雙發生體應力式渦街流量計開發；上海計量測試研究所開發了耐高溫應力式渦街流量計的檢測元件等，這些研究開發項目都取得了高水平成果。國內的一些企業，對渦街流量計也情有獨鐘，通過技術轉讓或合作開發的形式，加人渦街流量計的開發、生產行列。據1992年統計，我國開發生產渦街流量計的企業和事業單位就達30多家，年產量達到8000一9000臺。
    80年代中期，渦街流量計的技術基礎工作也深人開展。1987年由上海工業自動化儀表研究所和中國計量科學研究院牽頭，國內十多家單位參加，開始制訂渦街流量傳感器的行業標準和國家計量檢定規程。標準與規程于1989年頒布，對規范我國渦街流量計的開發、生產、應用發揮了作用。
    渦街流量計的干標定技術曾受到各方面的關注。從80年代初期開始，國內的一些專家學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定的可能性。80年代中期他們結合節流裝置標準化的進程，提出了渦街流量計干標定的設想，并在全國流量行業發展規劃會議上提出建議。國家采納了專家們的建議，把該項工作列人國家“七五”科技攻關計劃中，由重慶工業自動化儀表研究所牽頭，承擔了渦街流量計干標定試驗研究工作。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展向一體化、多參數檢測、智能化方向發展，并取得不俗成績，不少企業推出了智能化產品。
    任何事物的發展，都不可能是一帆風順的，渦街流量計的發展也是一樣。經過80年代中、后期發展的一片艷陽天之后，從90年代初期開始，渦街流量計的發展放慢了步伐。由于對這種新型儀表的生產、設計、選型、應用方面的經驗不足，面對各行各業千差萬別的現場和測量對象，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、應力式渦街流量計抗現場干擾（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的適配間題，還有產品制造質量問題、產品出廠標定問題等等。這些問題導致渦街流量計在部分現場應用不能取得滿意的效果，用戶有意見，設計單位有苦衷，生產企業疲于應急。
    這些問題引發了一些專家對設計、選用渦街流量計的反思，并發出設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，設計院和用戶都心有余悸，“渦街熱”開始降溫，渦街流量計出現了低潮。
    渦街流量計出現這種局面并不是壞事，是事物發展曲折性的具體表現。這種局面的出現，可讓開發、生產、設計、應用等各環節的有關人員都引起重視。開發、生產單位還應潛心研
究，解決渦街流量計產品的薄弱環節、．提高產品的性能和制造質量，產品的宣傳應更加客觀；這種局面的出現，提醒了設計單位和用戶在產品的選型和應用方面更加謹慎，加強與生產廠家的溝通與合作；這種局面的出現，也引起了產品格局的演變，部分技術力量薄弱、生產設備和測試條件不足，難以保證產品質量，不能為用戶提供優質服務的企業，逐步被市場淘汰。
    跨人21世紀，經歷了風雨洗禮的渦街流量計已逐步走出了低谷，走上了平穩發展的道路，隨著國家經濟建設發展，渦街流量計在各領域的應用逐步擴大。隨著產品質量的提高，設計、選型、安裝、使用的規范化，售前、后服務的加強，現場故障率的下降，用戶的滿意度有所提高，信心有所恢復。
    20世紀90年代中后期，我們也看到不少渦街流量計在企業應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特點、技術參數進行對比，認為渦街流量計是一種值得推廣的有廣闊發展前景的流量儀表。
    90年代后期以來，智能型渦街流量計投人市場。它克服了常規型渦街流量計的不足，而渦街流量計的固有優點繼續發揮，使渦街流量計的性能、功能、質量上了一個新臺階。據有關專家提供的信息，到2004年初，我國渦街流量計的開發、生產又出現了新局面，生產企業已超過200家，年產量超過．3萬臺。有的省（市）生產、經營渦街流量計產品的企業就有20余家。
    相信，在開發、制造、應用的各個環節共有努力下，在方方面面的關心、呵護和支持下，年輕的渦街流量計定會發展、壯大，成為流量儀表大家庭中的重要成員。