發布日期：2022-04-27 點擊率：87
摘 要：在系統分析渦街流量計所具有優點的基礎上，具體闡述了渦街流量計的耐振性能等。同時也指出了它所存在的缺點，并相應地給出其新的改進，指出在選擇合適的流量計時應揚其所長，避其所短。為流量計的選型提供了可靠的參考價值。
關鍵詞：渦街流量計差壓流量計 耐振性 漏脈沖 脈動流
0 引言
渦街流量計在上世紀70 年代投入工業應用時，一度被稱為數字孔板，意思是它有顯著的優越性，將會像孔板流量計一樣得到廣泛應用。甚至有人斷言，渦街流量計將全面取代孔板流量計。
這是因為渦街流量計具有下列顯著的優點：
① 安裝維修方便，不象普通差壓式流量計那樣，較長的引壓管線，易漏、易堵、易凍結；
② 輸出與流量成正比的脈沖信號，然后用數字技術進行處理，可不損失精度；
③ 不存在零點漂移問題；
④ 合理確定口徑，可得到較寬的測量范圍度[1]。
時至今日，三十多年時間過去了，雖然孔板流量計的部分市場被渦街流量計占領，但在實際應用中，很多地方還是使用孔板流量計（節流式差壓流量計中最常用的一種）。不僅沒有被淘汰，在某些場合，還占據相當優勢。
下面對這一情況作粗略分析，以便讀者在儀表設計選型時參考，揚長避短，發揮各自的優勢，爭取最大的經濟效益。
1 高溫高壓低密度流體流量，用渦街流量計測量還有困難
由于渦街流量計工作原理的局限性，敏感元件和結構的局限性，對于被測流體的溫度壓力高于一定數值，流體密度小于一定數值，用渦街流量計來測量，現在還有困難。
1.1 高溫流體
不同的廠商提供的不同品牌渦街流量計，所適用的流體溫度上限一般為400～450℃。從現場實際應用情況來看，有的品牌只能短時期達到所承諾的溫度上限。例如某歐洲品牌，一臺新的渦街流量計在400℃的條件下能可靠使用半年，半年以后，輸出就全無了。再換上一臺全新的，還是只有半年的壽命。
1.2 高壓流體
目前市場上的渦街流量計，其壓力等級有4 MPa 和6.4 MPa 等多種，如果被測流體壓力再高，人們還是喜歡用老一套的方法，差壓式流量計。
1.3 低密度流體
渦街流量計用來測量氣體和蒸汽流量時，最低可測流速要受到流體密度的制約。這是因為被測流體經旋渦發生體所產生的旋渦，作用在傳感器探頭上，相應產生個數相同的電脈沖，此電脈沖的幅值與旋渦對探頭所產生的推力大小有關，推力越大，脈沖幅值也越大，而此推力與流速的平方成正比，又同流體的密度成正比。當密度小到一定程度，流速又較低時，推力太小，以致脈沖幅值相應太小，導致被噪聲所淹沒，最后，脈沖不能被可靠地檢出。但是，如果流速較高，推力仍可增大到足夠大，以致脈沖幅值增大到足夠大，最后仍能被可靠地檢出。
有些被測流體如氫氣、半水煤氣等，密度都較小，有些低靜壓低流速測量對象，如城市煤氣，管道內流速較低，又不能用局部縮徑的方法提高流速，在設計選型時需十分小心。當被測流體密度已知時，最小可測流量為多少，可以通過計算得到。有的制造商通過對自己的產品做試驗，給出了不同口徑產品的有用數據。例如圖1a 所示的是橫河公司DN15、DN25、DN40、DN100 儀表的可測最低流速與密度的關系曲線；圖1b 所示是橫河公司DN50、DN80、DN150、DN200、DN250、DN300 儀表的可測最低流速與密度的關系。
圖1 可測最低流速與流體密度及口徑的關系
2 渦街流量計的可測最大
目前市場上供應的渦街流量計，最小口徑為DN15。最大口徑，國產產品有DN600，但口徑大了之后，分辨力較低，所以國外儀表公司一般只提供DN300 及以下的產品。
相比之下，節流式差壓流量計，從口徑小的內孔板流量計到口徑大到1 m 的標準節流式差壓流量計，品種規格一應俱全[2]。
3 渦街流量計在使用上還有困難
安裝流量計的管道或工業現場，難免有些振動，有些還較強烈，例如有些壓縮機、鼓風機廠房內，不僅管道振得很厲害，甚至整個廠房連同廠房周圍的道路都振得很厲害。
渦街流量計是一種流體振蕩型儀表，其工作原理是流體流過旋渦發生體后，產生與流速成正比的旋渦，旋渦的個數被傳感器檢知，輸出與旋渦個數相等的脈沖。
當管道或環境有振動時，這種振動也同樣作用在傳感器上，產生相應的電信號，當這種電信號的幅值大到一定的程度而高于分辨閾值后，也就混在旋渦產生的電信號里，經放大、整形而送到輸出端，使輸出頻率偏高，而若實際流量為零，則表現為“無中生有”。
渦街流量計的耐振性與其本身品質有關，按不同原理制造的渦街流量計，其耐振性也不同，一般說來，用電容式傳感器制造出來的渦街流量計要比用壓電傳感器生產出來的儀表耐振性優越。不同品牌的渦街流量計，甚至同一個品牌但口徑不同、型號不同的產品，其耐振性也不同。
例如某外國知名品牌在中國組裝的產品，DN80 及DN80 以下的渦街流量計，耐振性較好，能耐受1g 振動，而大口徑渦街流量計，耐振性就較差，DN≥150 時，不用說管道振動，就是在（一體式儀表）放大器盒旁邊用力拍手，儀表輸出都會應聲升高。
渦街流量計的耐振性同其安裝位置也有關系，盡管儀表說明書中說，渦街流量計既可垂直安裝也可水平安裝，但在實踐中發現，水平安裝（即發生體處于水平位置）的儀表，耐振性明顯降低。
渦街流量計在被測流體流速很低和零流量時，耐振性較差。這是因為旋渦對傳感器的推力，同管道中流體流速的平方成正比。被測流體流速很低和零流量時，旋渦對傳感器的推力小，產生的信號幅值低，因此信噪比也小，振動產生的信號較顯著。
渦街流量計的耐振性同其所測介質的密度還有關。因為管道振動時，傳感器隨管道一起振動，在被測介質為液體時，由于包圍在傳感器周圍的介質是液體，密度大，對傳感器本身有良好的阻尼作用，所以，傳感器受振所產生的電信號幅值小，而如果包圍在傳感器周圍的介質是氣體，則因阻尼較差，振動所產生的電信號幅值大。
人們為了改善渦街流量計的耐振性進行了長期的研究，采取了一些措施，例如采用雙傳感器法，頻譜信號處理（SSP）技術等，都收到了一定效果。但在振動較強烈的場所，渦街流量計應用還有困難。相比之下，節流式差壓流量計卻要優越得多。
4 節流式差壓流量計具有較好的適應性
濕蒸汽從嚴格的意義上來說，是屬兩相流體，當濕度較小時，例如干度在95％以上時，對渦街流量計和差壓式流量計影響均不大，即流量計能正常工作，只是測量誤差稍大，但濕度大到一定程度，對各種流量計均有較大影響，但影響的程度卻有顯著差異。
人們在用渦街流量計測量濕蒸汽流量時，會出現一種“漏脈沖”現象，即在濕度不大，可以將蒸汽近似看作干蒸汽時，渦街流量計的輸出脈沖，與流過發生體的流體體積（流速）成正比，而濕度大到一定程度，這種正比關系就不成立了，輸出脈沖數比應有脈沖數明顯減少，如果濕度進一步增大，甚至完全沒有脈沖輸出，這就是所謂的“漏脈沖”現象。
關于這種漏脈沖現象的機理，目前尚未見有資料作深入的分析，但這種現象是客觀存在的。
應用節流式差壓流量計來測量飽和蒸汽流量，有時也會碰到蒸汽帶水的情況，當流量計安裝在水平管道上時，管道底部會出現分層流動的水。儀表制造廠一般在孔板的下部開一個疏水孔，以防凝結水在節流件前面集聚，影響流通截面。在國家標準中，還給出了這種疏水孔所引入的誤差計算和修正方法[3]。對于安裝在垂直管道上的節流式差壓流量計，則勿需開疏水孔，但由蒸汽帶水所引起的誤差是客觀存在的。因此，這里所說的“具有較好的適應性”只是相對于渦街流量計而言。
5 輕微的流動脈動對差壓式流量計無明顯影響
流動脈動常見于工業管流，從現場儀表往往看不出流動脈動的存在，因而往往不被人們所注意。
流動脈動對大多數流量測量儀表都有影響，使之示值升高，但影響的程度有很大差別。
流動脈動作用在渦街流量計的傳感器探頭上，脈動的推力使之產生相應的脈沖輸出，因而使渦街流量計示值出現大幅度的升高，有時甚至是成數倍的升高[4]。
流動脈動影響渦街流量計的最常見的例子是安裝在減壓閥后面的渦街流量計，流量示值因脈動而大幅度升高。
一個熱力公司要向為數眾多的熱用戶供汽，其供汽的最高壓力和最高溫度主要受鍋爐規格制約，而最低壓力，卻要受到用戶的制約。即供汽壓力值要求最高的用戶決定了管網的最低壓力。而對于另外一些用戶，這一供汽壓力又嫌太高，于是在蒸汽總管進入用戶界區之后，增設一個減壓站。
蒸汽減壓站的減壓（穩壓）功能主要由一個蒸汽直接作用壓力調節閥承擔。這個調節閥兩端壓差大小不一，調節閥閥芯閥座的結構形式也有很大差異，在調節閥兩端壓差較大，而相對流量較小時，閥門開度很小，這時閥芯和閥座間的流體流速很高，于是在閥門出口處很容易產生旋渦。當閥門開度小于一定值（例如5％）時，甚至出現閥芯不停地抖動，引起流動脈動。
流動脈動對差壓式流量計的影響是通過三個途徑，即①平方根誤差；②慣性影響；③對流出系數的影響，三個因素共同作用，使節流式差壓流量計的示值升高，其脈動附加不確定度的估算可查閱有關文獻[3]。但其影響程度要比渦街流量計輕得多。
6 在低雷諾數測量條件下，差壓流量計有較好的適應性
在被測流體粘度較高，例如比水大數倍的使用條件下，渦街流量計要慎用，因為渦街流量計保證測量精確度的最小雷諾數為20 000，而雷諾數低于5 000 時，就可能沒有穩定的旋渦產生。
標準孔板流量計的最新國際標準ISO5167:2003(E)，所提供的計算公式，在雷諾數大于等于4 000 后就能保證測量精確度[5]，雷諾數小于4 000 后，測量精確度降低，但不會像流體振蕩式流量計那樣，因停止振蕩而輸出全無。
7 節流式差壓流量計檢定方便
用于貿易結算等用途的流量計，國家規定執行強制檢定。對于業主單位來說，完成流量計的周期檢定是一項重要的法定任務。于是，檢定是否方便也成了儀表選型時要考慮的重要方面。
渦街流量計的檢定，要放在流量標準裝置上進行，不僅拆裝、搬運、送檢麻煩，而且為了檢定要停用較長的時間。而節流式差壓流量計由于規程規定可以用幾何檢定法進行檢定，因此，可在現場找到合適的場所進行檢定，既省時間又省檢定成本。
8 流量計口徑較大時，差壓式流量計較便宜節流式差壓流量計的成本由節流裝置、差壓變送器及附屬裝置組成，當儀表口徑增大時，只需節流裝置放大，因此，成本上升不明顯，由于此原因，在儀表口徑較大時，尤其是在流體溫度較高（t >300℃）時，節流式差壓流量計的價格優勢尤為明顯。
9 節流式差壓流量計變更測量范圍較方便
流量計在安裝完畢投入使用時，總會發現一定比例的儀表流量測量范圍選得不合適，不是太小就是太大。尤其是在從未安裝過流量計的管道上，提條件的人員生怕提得太小不夠用，層層加碼，往往將流量上限取得太高。儀表投入運行時才發現，實際流量比原來估計的流量小得多，對于選用渦街流量計的測量系統，甚至會發現流量傳感器無脈沖輸出。對于選用節流式差壓流量計的設計中，流量示值有時只有滿度值的20%～30％。作為預防措施，有經驗的設計人員，往往將差壓上限選在適中的數值，例如低壓蒸汽，選差壓上限為40～60 kPa，這樣，當開表后如果發現實際流量略微超過滿量程或相對示值偏低，就可對差壓上限進行重新計算，然后用手持終端重新設置差壓變送器的測量上限。而對于旋渦流量計，一旦發現口徑選的不合適，只能用更換一次表的方法去解決。
要換一臺口徑與原設計不同的渦街流量計，對于一個使用大量儀表的老企業來說，或許不是一件困難的事，因為總有一些備表，而對于一個新企業、小企業或工程公司來說，就是一件困難的事。
10 結束語
節流式差壓流量計的主要不足是范圍度不夠大，較長的引壓管線導致安裝麻煩，而且易漏、易堵、易凍結，易引起差壓信號的傳遞失真。近些年的改進主要有：
① 差壓變送器的精度等級得到大幅度提高，從早先的1.5 級提高到后來的0.5 級，再到現在的0.1 級甚至0.75 級。在相對流量低于30％時，節流裝置送出的差壓信號也能到精確測量，從而有利于流量測量范圍度的擴大;
② 流量顯示儀表的改進，不僅使顯示儀表精確度得以提高，更重要的是：制約節流式差壓流量計范圍度擴大的流出系數非線性和可膨脹性系數影響得到補償，從而使節流式差壓流量計的系統精確度大大提高，范圍度可擴大到10:1[6];
③ 對引壓管線的改進體現在一體化節流式流量計上。在一體化節流式差壓計中，引壓管縮得很短，所以，改進前存在的易漏、易堵、易凍結，差壓信號傳遞失真問題，安裝工程量大等問題均得到解決;
④ 新的計算公式，使一次元件測量不確定度進一步減小。這主要體現在新的國際標準ISO5167:2003(E)上。
參考文獻
1 姜仲霞, 姜川濤, 劉桂芳.渦街流量計[M]. 北京：中國石化出版社, 2006.
2 蔡武昌, 孫淮清, 紀綱.流量測量方法和儀表的選用[M].北京：化學工業出版社, 2001.
3 GB/T2624-1993 流量測量節流裝置用孔板、噴嘴、文丘里管測量充滿圓管的流體流量.
4 紀綱. 流量測量儀表應用技巧[M]. 北京: 化學工業出版社, 2003.
5 ISO5167: 2003(E). Measurement of fluid flow by means of pressure differential devices inserted in circular cross-section conduits running full.
6 王建忠, 紀綱.差壓式流量計范圍度問題研究[J]. 自動化儀表, 2005, (8).
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