影響渦街流量計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確度的幾個(gè)因素
[導(dǎo)讀] 渦街流量計(jì)是生產(chǎn)中測(cè)量流量的重要工具之一。文章簡(jiǎn)述了渦街流量計(jì)的測(cè)量原理、基本結(jié)構(gòu)，詳細(xì)分析了影響渦街流量計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確度的選型、安裝、溫度壓力補(bǔ)償、旋渦發(fā)生體迎流面堆積、配管內(nèi)徑與流量計(jì)內(nèi)徑不一致等因素，并提出了解決影響測(cè)量精度的具體方案。
渦街流量計(jì)是二十世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種新型流量?jī)x表，由于頻率信號(hào)不受流體組分、密度、壓力、溫度的影響，量程寬，精度較高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝維護(hù)方便，應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，受到國(guó)內(nèi)外廣大用戶歡迎，發(fā)展較快，應(yīng)用不斷擴(kuò)大，在許多領(lǐng)域已替代了差壓式流量計(jì)和其它流量?jī)x表。
1 渦街流量計(jì)測(cè)量計(jì)原理
把一個(gè)非流線型阻流體（BluffBody）垂直插入管道中，隨著流體繞過阻流體流動(dòng)，產(chǎn)生附面層分離現(xiàn)象，形成有規(guī)則的旋渦列，左右兩側(cè)旋渦的旋轉(zhuǎn)方向相反，這種旋渦稱為卡門渦街，如圖1所示。
圖1 渦街形成的原理圖
根據(jù)卡門的研究，這些旋列多數(shù)是不穩(wěn)定的，只有形成相互交替的內(nèi)旋的兩排旋渦，且渦列寬度d和同列相鄰的兩旋渦的間距l(xiāng)之比滿足一個(gè)常數(shù)時(shí)，這樣的渦列才是穩(wěn)定的。（對(duì)于圓柱形旋渦發(fā)生體這個(gè)比例為0.281）。
根據(jù)卡門渦街原理，旋渦頻率f與管內(nèi)平均流速u有如下關(guān)系：
（1）
式中：u1-旋渦發(fā)生體兩側(cè)平均流速（m/s）；d-旋渦發(fā)生體特征度；St-斯特勞哈爾數(shù)；m-旋渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積和管道內(nèi)橫截面積之比。
由此可得瞬時(shí)體積流量與渦街頻率的關(guān)系為：
（2）
從上式可以得到儀表系數(shù)K為：
（3）
式中：qv-通過流量計(jì)的體積流量（L/s）；f-流量計(jì)輸出的信號(hào)頻率；k-渦街流量計(jì) 的儀表系數(shù)（1/L）。
由上式可以看出，在St為常數(shù)時(shí)，儀表系數(shù)k僅與旋渦發(fā)生體的幾何參數(shù)有關(guān)，而與流體物性和組分無關(guān)。因此，渦街流量計(jì) 既可以測(cè)量液體，也可以測(cè)量氣體。用水標(biāo)定的渦街流量計(jì) 可以用來測(cè)氣體。
圖2 St數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系
圖2為斯特勞哈爾數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系。從上圖可以看出管道內(nèi)流體的雷諾數(shù)若小于5×103時(shí)，測(cè)量將無法進(jìn)行，因此選型時(shí)要注意渦街流量計(jì) 的***小流量的限制[4-5]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前也有一些廠家的渦街流量計(jì) 可對(duì)不同雷諾數(shù)段的St值進(jìn)行分段補(bǔ)償，如Endress+Hause的Prowirl73型的渦街流量計(jì) 。
2 渦街流量計(jì)的結(jié)構(gòu)
根據(jù)卡門渦街原理設(shè)計(jì)制造的渦街流量計(jì) ，由于設(shè)計(jì)的時(shí)間及生成手段的不同，其檢測(cè)方式及相應(yīng)的檢測(cè)原件都有所不同，所以結(jié)構(gòu)也不一樣。以差動(dòng)電容式渦街流量計(jì) 為例，在旋渦發(fā)生體后面安裝差動(dòng)電容傳感器 ，該傳感器為圓筒形，用變極距原理工作。當(dāng)有流體流過時(shí)，由于卡門渦街的作用，在發(fā)生體后差生交變差壓，電容傳感器由此產(chǎn)生左右擺動(dòng)，引起兩側(cè)電容的極距發(fā)生變化，改變電容量，根據(jù)電容量的變化頻率就可以得知渦街頻率。一般渦街流量計(jì) 由傳感器和變送器 兩部份組成。傳感器包括：表體；旋渦發(fā)生體；檢測(cè)元件；法蘭等。轉(zhuǎn)換器包括：前置放大器 ；濾波整形電路；接線端子；CPU；存儲(chǔ)器單元；顯示單元；通信單元等。
渦街抗振性主要取決于其檢測(cè)原理，對(duì)于差動(dòng)電容的渦街傳感器，當(dāng)有外界管道機(jī)械振動(dòng)或有流體沖擊時(shí)，不管振動(dòng)方向如何，引起電容檢測(cè)元件的內(nèi)外電極同時(shí)做方向相同、變形量相等的振動(dòng)，而由于此時(shí)的兩電極間的相對(duì)距離保持不變，電容量也沒有變化。所以差動(dòng)電容渦街流量計(jì) 的抗振性優(yōu)于壓電晶體等檢測(cè)方式的渦街流量計(jì) 。
3 渦街流量計(jì) 的選型
3.1 渦街流量計(jì)口徑的選取
儀表生產(chǎn)廠家不同，其選型方式會(huì)有所不同。應(yīng)根據(jù)其相應(yīng)的選型方式，作出詳細(xì)的計(jì)算，來確定口徑的大小。而不能盲目的根據(jù)管道的口徑選擇流量計(jì)的口徑，選型時(shí)要注意：
雷諾數(shù)限制：當(dāng)雷諾數(shù)Re<5×103時(shí)，渦街流量計(jì) 基本不能測(cè)量，當(dāng)雷諾數(shù)Re<2×104時(shí)，因St非線性偏高，所以導(dǎo)致測(cè)量值偏差大；流速限制：對(duì)于測(cè)量液體流量，***大流速10m/s，測(cè)量氣體流量時(shí)，***大流速75m/s。
為使流量計(jì)的流速大一些，渦街流量計(jì) 工作在測(cè)量精度保證范圍內(nèi)，要盡量選用比公稱通徑小的流量計(jì)。如果流量計(jì)的口徑偏大，則使流量在低限運(yùn)行，使得測(cè)量值不準(zhǔn)確。
3.2 傳感器檢測(cè)元件材質(zhì)的選取
在化工場(chǎng)合，許多介質(zhì)時(shí)帶有腐蝕性的，因此在選型時(shí)應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的介質(zhì)選擇相應(yīng)的傳感器材質(zhì)。否則傳感器或旋渦發(fā)生體被腐蝕后，輕者會(huì)影響測(cè)量，重者使儀表無法正常測(cè)量，甚至發(fā)生介質(zhì)泄露的事故。
3.3 粘度較大或易沉淀的流體
當(dāng)測(cè)量粘度較大或者易沉淀的流體，會(huì)在渦街發(fā)生體表面有粘附或沉積物時(shí)會(huì)使發(fā)生體的形狀和尺寸變化，影響儀表系數(shù)；而傳感器表面有粘附或沉淀物時(shí)，儀表的靈敏度會(huì)降低。對(duì)此建議選用其他原理的流量計(jì)，或經(jīng)常清洗流量計(jì)傳感器和旋渦發(fā)生體。
4 渦街流量計(jì) 的安裝要點(diǎn)
（1）選擇合理的安裝場(chǎng)所。如避開強(qiáng)電力設(shè)備、高頻設(shè)備、強(qiáng)電源開關(guān)設(shè)備；避開高溫?zé)嵩春洼椛錈嵩吹挠绊懀槐荛_強(qiáng)烈振動(dòng)。
（2）上下游直管段滿足要求。不同的阻流件對(duì)流場(chǎng)的影響是不一樣的，在突縮和突擴(kuò)管段可能在肩部形成二次流，在彎管位置在流動(dòng)方向突然改變的彎管內(nèi)外側(cè)將形成二次流，在流通截面積突然改變的閥門位置流動(dòng)也將受到影響。因此不同阻流件對(duì)直管段的要求也不同，見圖3，如流量計(jì)前有一個(gè)彎頭時(shí)，前面的直管段要求20倍的管道內(nèi)徑，后面的直管段要求5倍的管道內(nèi)徑。而流量計(jì)前有兩個(gè)彎頭時(shí)，前面的直管段要求40倍的管道內(nèi)徑，后面的直管段要求5倍的管道內(nèi)徑。
（3）有振動(dòng)的管道，渦街流量計(jì) 表頭水平安裝，對(duì)于振動(dòng)較強(qiáng)的管系，設(shè)置減振裝置。
（4）如有可能安裝旁通管，便于檢修。
（5）測(cè)量含有少量異相的流體時(shí)，注意傳感器的安裝位置。如測(cè)量介質(zhì)中還有固體物時(shí)，流量計(jì)應(yīng)安裝在不易沉淀的地方；而測(cè)量介質(zhì)為氣體，其中含有液體時(shí)，應(yīng)在流量計(jì)前安裝排放閥，否則會(huì)產(chǎn)生氣錘，損壞傳感器。
（6）介質(zhì)溫度較高時(shí)，流量計(jì)表頭向下安裝，或選用分體式流量計(jì)。
（7）渦街流量計(jì) 信號(hào)傳輸電線應(yīng)采用金屬屏蔽電線，要有良好的接地措施。遵循一點(diǎn)接地原則。
（8）管道隔熱保溫。一般測(cè)量蒸汽時(shí)，管道隔熱保溫是防止能量散失的重要手段，當(dāng)對(duì)渦街流量計(jì) 進(jìn)行隔熱處理時(shí)，應(yīng)確保渦街流量計(jì) 的傳感器和電路部分暴露在外，確保熱量向外射以防止儀表電子部件過熱。
（9）為防止氣穴現(xiàn)象發(fā)生，渦街流量計(jì) 進(jìn)口壓力要滿足要求：
（4）
Δp-渦街流量計(jì) 的壓損；Pv-使用溫度下的液體的******飽和蒸汽壓。
圖3 渦街流量計(jì) 直管段***小要求
5 渦街流量計(jì) 測(cè)量中的壓力、溫度補(bǔ)償
渦街流量計(jì) 測(cè)得的是工作狀況下的體積流量，以下情況需要壓力、溫度補(bǔ)償：
（1）測(cè)量介質(zhì)為液體，輸出為質(zhì)量流量（部分液體）；
（2）測(cè)量介質(zhì)為氣體，輸出為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量；
（3）測(cè)量介質(zhì)為氣體，輸出為質(zhì)量流量；
此時(shí)，還需要一個(gè)流量積算儀，根據(jù)一定的溫度壓力補(bǔ)償公式來計(jì)算出所需要的流量。
6 影響渦街流量計(jì) 測(cè)量準(zhǔn)確度 的其它因素
6.1 旋渦發(fā)生體迎流面堆積的影響
如果被測(cè)流體中存在黏性顆粒，則可能會(huì)逐漸堆積在旋渦發(fā)生體迎流面上，使其幾何形狀和尺寸發(fā)生變化，因而流量系數(shù)也相應(yīng)變化，影響見圖5所示。
圖5 旋渦發(fā)生體發(fā)生堆積時(shí)的精度影響
因此在使用中要注意清理。
6.2 溫度對(duì)測(cè)量的影響
溫度變化對(duì)測(cè)量體幾何尺寸變化的影響有兩部分組成，一是旋渦發(fā)生體寬度d發(fā)生變化引起的；另一個(gè)就是管道內(nèi)徑D變化引起的。消除此影響一般是對(duì)K系數(shù)進(jìn)行修正。
（5）
式中：Kt-流體溫度是t時(shí)的流量系數(shù)；Km-流體溫度是t0時(shí)的流量系數(shù)；A-常數(shù)，與渦街流量計(jì) 的材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)。
目前一些廠家的流量計(jì)已對(duì)溫度的影響在軟件中進(jìn)行固定溫度修正和實(shí)時(shí)溫度修正，如Endress+Hause的Prowirl72和73型的渦街流量計(jì) 。
6.3 配管內(nèi)徑與流量計(jì)內(nèi)徑不一致造成的影響
一般進(jìn)口儀表的內(nèi)徑時(shí)按照國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的，而在國(guó)內(nèi)的配管內(nèi)徑為國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的，兩者之間的差別有時(shí)很大，如Endress+Hause的Prowirl72FDN100口徑壓力為PN16的內(nèi)徑為107.1mm，而國(guó)內(nèi)的為101.0mm。對(duì)于配管內(nèi)徑與流量計(jì)內(nèi)徑不一致，可分為兩種情況：
（1）當(dāng)管道實(shí)際內(nèi)徑大于儀表內(nèi)徑時(shí)，兩者之間的差值不超過流量計(jì)內(nèi)徑的3%，這時(shí)造成的誤差很小，對(duì)測(cè)量無影響，可無需修正。
（2）當(dāng)管道內(nèi)徑小于儀表內(nèi)徑，且兩者之差不超過流量計(jì)內(nèi)徑的2%時(shí)，產(chǎn)生的誤差較小，可通過對(duì)儀表系數(shù)的修正進(jìn)行補(bǔ)償，修正因子Kd為：DN-流量計(jì)內(nèi)徑；D-配管內(nèi)徑。
（3）當(dāng)管道內(nèi)徑與儀表內(nèi)徑相差較大，由于流體經(jīng)過這種突變?cè)斐傻牧黧w擾動(dòng)使得渦街流量計(jì) 的測(cè)量變得不再穩(wěn)定和可靠，造成的誤差無法通過修正K系數(shù)來補(bǔ)償。此時(shí)需要流量計(jì)前后安裝足夠的與流量計(jì)內(nèi)徑一致的直管段或流量計(jì)前安裝流場(chǎng)優(yōu)化整流器，但安裝整流器后仍需一定的直管段。
7 結(jié)束語(yǔ)
渦街流量計(jì) 有很多優(yōu)點(diǎn)，價(jià)格適宜，只要正確選用渦街流量計(jì) ，進(jìn)一步采取防干擾措施，采取溫度、壓力補(bǔ)償?shù)认郊诱`差的辦法，渦街流量計(jì) 在化工領(lǐng)域中將有廣泛的應(yīng)用前景。通過選型中選擇合適的流量計(jì)口徑，對(duì)某些工況進(jìn)行溫度壓力補(bǔ)償，以及配管內(nèi)徑與流量計(jì)內(nèi)徑的協(xié)調(diào)等方面提出來改善渦街流量計(jì) 測(cè)量準(zhǔn)確度 的方案，為儀表的選型、安裝、管理與維護(hù)的提供了指導(dǎo)性建議。
