渦街流量計發展概況
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;小溪流是水中的水草、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包括旋渦分類流量計(Vortex Shedding Flowmeter)常稱渦街流量計;旋渦進動流量計(Vortex Precessing Flowmeter)常稱為旋進旋渦流量計;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入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,三種流量計的發展狀況有所不同。渦街流浪記的特點發揮地比較充分,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.芬奇就在他的作品里描繪了插入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科學家斯特勞哈爾(strouhal)。1878年,在他指導的實驗中發現:在風的作用下,一根細弦絲發剩的音調跟風速成正比,而與弦絲的直徑成反比。
1879年,羅德.拉雷特(Lord.Rarleight)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(Benard)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.Karman)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的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。隨著工業的發展,特別是航空工業的發展,發現了渦街形成對生產和建設設施的破壞作用,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。因此在較長的時間內,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,以此來檢測旋渦信號,進行流量測量試驗。
1969年山崎弘郎等人研究陳宮熱絲檢測法渦街流量計。采用的旋渦發生體為圓柱體。這一成果最終有橫河電機制作所推出的商品化渦街流量計。幾乎同時,美國Eastech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,稱為
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的光明的未來。
70年代是渦街流量計進入快速發展的使其,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:
美國西屋公司(West House)應用超聲檢測技術推出超聲式渦街流量計。
日本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;
美國伊斯坦公司(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問世;
英國肯特(Kent)公司采用電容檢測技術和矩形發生體,向用戶提供了電容式渦街流量計;
美國Ficher & Porter 公司用用應變檢測技術,把增強型應變式渦街流量計奉獻給用戶;
美國Foxboro公司采用壓電檢測技術和用T形發生體,把壓電元件加膜片作為檢測元件的渦街流量計推向市場。
日本橫河公司經過近10年潛心研制,用壓電檢測技術和梯形發生體,繼熱絲式渦街流量計之后,推出該公司的第二種渦街流量計產品--應力式渦街流量計。
進入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。
美國Fisher control公司研制出雙發生體應力式渦街流量計;
德國E+H公司和英國肯特公司應用壓電檢測技術,分別開發成功檢測元件內查實和檢測元件后置式的渦街流量計;
美國Ficher & Porter公司成功開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。
日本東京計裝株式會社開發成功光電式渦街流量計。
到80年代后期,美、歐、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4萬臺。
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年美國機械工業標準上升為國家標準ASME/ANSI MFC-6M-1987;1989年日本頒布了工業標準JIS Z 8766-1989;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之后,國際標準化組織(ISO/CD12764)的形式發布。這些都標志渦街流量計的開發、制造和應用進入到規范化時代。
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:
1.技術基礎型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,并深入進行取得成果。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JIS Z 8766:2002的新版本。
2.信號處理技術方面想數字化方向發展。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.想一體化、智能化、多參數檢測方向發展,現場總線技術被引入渦街流量計領域中,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。