广州恒运热力有限公司是面向广州经济技术开发区、高新区、出口加工区和保税区的集中供热企业，热源有广州恒运集团热电（A、B、C、D）厂的二次蒸汽和热力公司自建的3台蒸汽锅炉，供汽能力达300t/h，蒸汽管网总长约50km，蒸汽用户目前以区内的50多家工厂企业为主。工业用户的特点是：（1）各用户的蒸汽用量相差很大，小的不足1t/h，大的高达50t/h，相应的蒸汽流量计口径大小从DN10～DN300mm；（2）连续生产连续用汽，尤其是一些大用户，若意外停汽将会造成重大的经济损失；（3）流量变化量大，视生产时段而定。因此，对蒸汽计量仪表选型的基本要求是：稳定可靠、量程比宽、精度高、维护工作量少。近几年来，我们采用以差动开关电容式涡街流量计为基础的蒸汽流量测量系统，取得明显的效果和经济效益。

　　1 差动开关电容式涡街流量计

　　1.1 基本工作原理

　　涡街流量计是基于“卡门涡街”原理实现流量测量的仪表。

　　在流体的管路中设置非流线型柱状阻力部件，在某一雷诺数Re范围内，其下游两侧将产生旋涡分离现象，形成两排交替出现的旋涡列并依次向下游流去，连续不断，好象一条由旋涡组成的街道，形象地称为“涡街”。当涡列宽度h与同列相邻两旋涡的间距L之比满足h/L=0.281时，这样的涡街阵列几何结构才稳定，称为卡门涡街。产生旋涡分离的阻力部件称为旋涡发生体（见图1）。当旋涡发生体为三角柱体时，其旋涡分离频率f（单位：Hz）和管道内平均流速v、旋涡发生体迎流面宽度d之间关系为：

　　式中：St为斯特劳哈尔数（无量纲），在一定Re范围内，St为常数；v1为发生体两侧流体的平均流速，m/s；D为管道内径，m；d/D为柱宽比，即旋涡发生体宽度与管径之比值；v为旋涡发生体前平均流速，m/s。

　　因管道中平均瞬时流量qv[m3/h]与管径D和平均流速v关系为：

　　实验表明，当雷诺数Re≥20000时，斯特劳哈尔数St基本为恒定值，如三角柱发生体St=0.16，另一方面，对于给定形式的具体仪表，其几何尺寸D、d和相互关系等已确定，故仪表系数K值也确定，与流体物性和组分无关。所以操作状态体积流量qv与旋涡频率f成线性比例关系：

　　qv=f/K （5）

　　由此可见，只要准确检测旋涡频率便可得知体积流量，这就是涡街流量计的检测基础和基本工作原理。而如何准确检测旋涡频率则成为决定涡街流量计整体性能的关键，各种涡街流量计的明显区别也在于采用的检测技术（元件）不同，如从早期热敏电阻元件的热敏式涡街流量计，后来市场较多的压电晶体元件的应力式涡街流量计，到近期发展起来的差动开关电容式涡街流量计等等。

　　1.2 结构原理

　　差动开关电容式涡街流量计（以下简称电容式涡街）采用差动开关电容传感器（以下简称DSC传感器）检测卡门涡街产生的旋涡频率信号。整个信号检测处理过程如图2。

　　DSC传感器为外置悬臂式结构（图3），独立于仪表旋涡发生体但又径向插入发生体的中心孔中，并与两侧导压孔连通，以检测卡门旋涡压力的变化。它实质是一个电容式机-电转换器。

　　外观为圆筒形且下端密封而管壁又很薄的振动舌作为电容器的公共电极，其内部有两个附于同一支座下端但又相互绝缘的弧状形电极。这两个电极与公共电极振动舌内壁之间保留有充满空气的微小间隙，构成两个电容器，电介质为空气，其电容的大小与电极和振动舌内壁之间的距离成反比。当振动舌发生形变或位移时就会使两个电容失去平衡，产生差动电容。

　　当旋涡产生时在两侧形成微小压差，旋涡压力使振动舌发生左右挠性振动，由于内部两个电极及其支座仍固定不动，从而一个电容间隙增大（电容量变小），同时另一电容间隙减小（电容量变大），反之亦然，也即导致两电容的大小因距离相对变化而发生周期性的变化，产生了差动信号。这也是差动开关电容检测电路所检测到的唯一信号。差动信号呈正弦波形式，经前置放大器处理后以PFM（脉冲频率调剂）脉冲信号形式输出。

　　2.3 性能特点

　　当管道发生振动时，振动的惯性力同时作用在振动舌和电极上，使它们在同方向上产生形变，由于振动舌与两个电极及支座的振动特性和几何结构相匹配，它们对于外部振动的响应是同步的，即形变量相一致，两个电容间隙没有相对变化，故不产生差动信号，因此能够消除任何方向、频率≤500Hz、加速度≤1g的强机械振动的影响。

　　应用现代工程材料与方法，使其工作温度范围扩展至-200℃～+400℃，而且不存在破裂、老化等问题，能够承受得住高达100℃/s的热冲击。

　　振动舌的管壁很薄，因此灵敏度很高，即流速下限可以很低（介质为水时，流速为0.2m/s）；又因为振动舌为圆筒形不锈钢，机械结构坚固，可以耐高流速旋涡的压力作用，所以流速上限较高（介质为水时，流速为9m/s、介质为蒸汽和气体时，流速为75m/s）。由于兼顾了流速的两个极端，因此量程比很宽（最高可达40:1）。

　　2 温度压力补偿与测量系统

　　涡街流量计是一种速度式流量计，其直接检测结果是给出操作状态下的体积流量，在其测量范围内，这种体积流量不受流体温度、压力、密度、粘度、成分等性质变化所影响，因而是准确的，不需要任何温度、压力补偿。但工程上测量蒸汽流量时习惯上以质量流量qm，单位用kg/h或t/h表示，所以上述体积流量qv需要引入蒸汽密度ρ（p，T）参数进行折算：

　　qm（V，p，T）=qv（V）·ρ（p，T） （6）

　　而蒸汽密度ρ是直接受到蒸汽工作状态如温度T、压力p等影响的，例如温度为190℃的蒸汽，当压力由1.1MPa上升到1.2MPa时，其密度约增大了10%，可见，蒸汽性质变化或操作条件波动时会产生一定的附加误差。因此在体积流量检测的同时还要进行温度压力的检测，也即通过T、p对ρ进行实时补偿以消除系统的附加误差，保证最终需要的检测结果即质量流量的准确性，而这些补偿运算工作均在流量积算仪中自动完成。所以，应用涡街流量计测量蒸汽流量时，温度压力补偿是很有必要的。

　　在本测量系统中，蒸汽的体积流量qv、压力p和温度T分别通过电容式涡街流量计、压力变送器和热电阻（Pt100）的检测而转换为PFM脉冲、4～20mADC和电阻值信号，并同时输入现场的智能流量积算仪进行运算和显示，其读数即为补偿后的蒸汽质量流量qm。

　　此外，由于蒸汽用户分散并且距离较远，给管理带来了诸多不便，为此我们利用流量积算仪的通讯功能（RS485）和专网无线传输技术，与上位计算机（智能终端）构成网络，将各测量点的计量数据实时传输到热力公司的主机中进行监控与储存，可在主机中随时查询任何一个用户点的流量、压力、温度等参数和掉电情况，从而实现了远传监控管理，也成为企业信息化建设的一部分。

　　综上所述，每个测量点的系统构成如图4。