摘 要：在系統(tǒng)分析渦街流量計(jì)所具有優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，具體闡述了渦街流量計(jì)的耐振性能等。同時(shí)也指出了它所存在的缺點(diǎn)，并相應(yīng)地給出其新的改進(jìn)，指出在選擇合適的流量計(jì)時(shí)應(yīng)揚(yáng)其所長(zhǎng)，避其所短。為流量計(jì)的選型提供了可靠的參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞：渦街流量計(jì)差壓流量計(jì) 耐振性 漏脈沖 脈動(dòng)流
0 引言
渦街流量計(jì)在上世紀(jì)70 年代投入工業(yè)應(yīng)用時(shí)，一度被稱為數(shù)字孔板，意思是它有顯著的優(yōu)越性，將會(huì)像孔板流量計(jì)一樣得到廣泛應(yīng)用。甚至有人斷言，渦街流量計(jì)將全面取代孔板流量計(jì)。
這是因?yàn)闇u街流量計(jì)具有下列顯著的優(yōu)點(diǎn)：
① 安裝維修方便，不象普通差壓式流量計(jì)那樣，較長(zhǎng)的引壓管線，易漏、易堵、易凍結(jié)；
② 輸出與流量成正比的脈沖信號(hào)，然后用數(shù)字技術(shù)進(jìn)行處理，可不損失精度；
③ 不存在零點(diǎn)漂移問(wèn)題；
④ 合理確定口徑，可得到較寬的測(cè)量范圍度[1]。
時(shí)至今日，三十多年時(shí)間過(guò)去了，雖然孔板流量計(jì)的部分市場(chǎng)被渦街流量計(jì)占領(lǐng)，但在實(shí)際應(yīng)用中，很多地方還是使用孔板流量計(jì)（節(jié)流式差壓流量計(jì)中最常用的一種）。不僅沒(méi)有被淘汰，在某些場(chǎng)合，還占據(jù)相當(dāng)優(yōu)勢(shì)。
下面對(duì)這一情況作粗略分析，以便讀者在儀表設(shè)計(jì)選型時(shí)參考，揚(yáng)長(zhǎng)避短，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，爭(zhēng)取最大的經(jīng)濟(jì)效益。
1 高溫高壓低密度流體流量，用渦街流量計(jì)測(cè)量還有困難
由于渦街流量計(jì)工作原理的局限性，敏感元件和結(jié)構(gòu)的局限性，對(duì)于被測(cè)流體的溫度壓力高于一定數(shù)值，流體密度小于一定數(shù)值，用渦街流量計(jì)來(lái)測(cè)量，現(xiàn)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(jì)，所適用的流體溫度上限一般為400～450℃。從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，有的品牌只能短時(shí)期達(dá)到所承諾的溫度上限。例如某歐洲品牌，一臺(tái)新的渦街流量計(jì)在400℃的條件下能可靠使用半年，半年以后，輸出就全無(wú)了。再換上一臺(tái)全新的，還是只有半年的壽命。
1.2 高壓流體
目前市場(chǎng)上的渦街流量計(jì)，其壓力等級(jí)有4 MPa 和6.4 MPa 等多種，如果被測(cè)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(jì)。
1.3 低密度流體
渦街流量計(jì)用來(lái)測(cè)量氣體和蒸汽流量時(shí)，最低可測(cè)流速要受到流體密度的制約。這是因?yàn)楸粶y(cè)流體經(jīng)旋渦發(fā)生體所產(chǎn)生的旋渦，作用在傳感器探頭上，相應(yīng)產(chǎn)生個(gè)數(shù)相同的電脈沖，此電脈沖的幅值與旋渦對(duì)探頭所產(chǎn)生的推力大小有關(guān)，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(dāng)密度小到一定程度，流速又較低時(shí)，推力太小，以致脈沖幅值相應(yīng)太小，導(dǎo)致被噪聲所淹沒(méi)，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(cè)流體如氫氣、半水煤氣等，密度都較小，有些低靜壓低流速測(cè)量對(duì)象，如城市煤氣，管道內(nèi)流速較低，又不能用局部縮徑的方法提高流速，在設(shè)計(jì)選型時(shí)需十分小心。當(dāng)被測(cè)流體密度已知時(shí)，最小可測(cè)流量為多少，可以通過(guò)計(jì)算得到。有的制造商通過(guò)對(duì)自己的產(chǎn)品做試驗(yàn)，給出了不同口徑產(chǎn)品的有用數(shù)據(jù)。例如圖1a 所示的是橫河公司DN15、DN25、DN40、DN100 儀表的可測(cè)最低流速與密度的關(guān)系曲線；圖1b 所示是橫河公司DN50、DN80、DN150、DN200、DN250、DN300 儀表的可測(cè)最低流速與密度的關(guān)系。
圖1 可測(cè)最低流速與流體密度及口徑的關(guān)系
2 渦街流量計(jì)的可測(cè)最大
目前市場(chǎng)上供應(yīng)的渦街流量計(jì)，最小口徑為DN15。最大口徑，國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品有DN600，但口徑大了之后，分辨力較低，所以國(guó)外儀表公司一般只提供DN300 及以下的產(chǎn)品。
相比之下，節(jié)流式差壓流量計(jì)，從口徑小的內(nèi)孔板流量計(jì)到口徑大到1 m 的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流式差壓流量計(jì)，品種規(guī)格一應(yīng)俱全[2]。
3 渦街流量計(jì)在使用上還有困難
安裝流量計(jì)的管道或工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，難免有些振動(dòng)，有些還較強(qiáng)烈，例如有些壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)廠房?jī)?nèi)，不僅管道振得很厲害，甚至整個(gè)廠房連同廠房周圍的道路都振得很厲害。
渦街流量計(jì)是一種流體振蕩型儀表，其工作原理是流體流過(guò)旋渦發(fā)生體后，產(chǎn)生與流速成正比的旋渦，旋渦的個(gè)數(shù)被傳感器檢知，輸出與旋渦個(gè)數(shù)相等的脈沖。
當(dāng)管道或環(huán)境有振動(dòng)時(shí)，這種振動(dòng)也同樣作用在傳感器上，產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)，當(dāng)這種電信號(hào)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(chǎn)生的電信號(hào)里，經(jīng)放大、整形而送到輸出端，使輸出頻率偏高，而若實(shí)際流量為零，則表現(xiàn)為“無(wú)中生有”。
渦街流量計(jì)的耐振性與其本身品質(zhì)有關(guān)，按不同原理制造的渦街流量計(jì)，其耐振性也不同，一般說(shuō)來(lái)，用電容式傳感器制造出來(lái)的渦街流量計(jì)要比用壓電傳感器生產(chǎn)出來(lái)的儀表耐振性優(yōu)越。不同品牌的渦街流量計(jì)，甚至同一個(gè)品牌但口徑不同、型號(hào)不同的產(chǎn)品，其耐振性也不同。
例如某外國(guó)知名品牌在中國(guó)組裝的產(chǎn)品，DN80 及DN80 以下的渦街流量計(jì)，耐振性較好，能耐受1g 振動(dòng)，而大口徑渦街流量計(jì)，耐振性就較差，DN≥150 時(shí)，不用說(shuō)管道振動(dòng)，就是在（一體式儀表）放大器盒旁邊用力拍手，儀表輸出都會(huì)應(yīng)聲升高。
渦街流量計(jì)的耐振性同其安裝位置也有關(guān)系，盡管儀表說(shuō)明書中說(shuō)，渦街流量計(jì)既可垂直安裝也可水平安裝，但在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，水平安裝（即發(fā)生體處于水平位置）的儀表，耐振性明顯降低。
渦街流量計(jì)在被測(cè)流體流速很低和零流量時(shí)，耐振性較差。這是因?yàn)樾郎u對(duì)傳感器的推力，同管道中流體流速的平方成正比。被測(cè)流體流速很低和零流量時(shí)，旋渦對(duì)傳感器的推力小，產(chǎn)生的信號(hào)幅值低，因此信噪比也小，振動(dòng)產(chǎn)生的信號(hào)較顯著。
渦街流量計(jì)的耐振性同其所測(cè)介質(zhì)的密度還有關(guān)。因?yàn)楣艿勒駝?dòng)時(shí)，傳感器隨管道一起振動(dòng)，在被測(cè)介質(zhì)為液體時(shí)，由于包圍在傳感器周圍的介質(zhì)是液體，密度大，對(duì)傳感器本身有良好的阻尼作用，所以，傳感器受振所產(chǎn)生的電信號(hào)幅值小，而如果包圍在傳感器周圍的介質(zhì)是氣體，則因阻尼較差，振動(dòng)所產(chǎn)生的電信號(hào)幅值大。
人們?yōu)榱烁纳茰u街流量計(jì)的耐振性進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究，采取了一些措施，例如采用雙傳感器法，頻譜信號(hào)處理（SSP）技術(shù)等，都收到了一定效果。但在振動(dòng)較強(qiáng)烈的場(chǎng)所，渦街流量計(jì)應(yīng)用還有困難。相比之下，節(jié)流式差壓流量計(jì)卻要優(yōu)越得多。
4 節(jié)流式差壓流量計(jì)具有較好的適應(yīng)性
濕蒸汽從嚴(yán)格的意義上來(lái)說(shuō)，是屬兩相流體，當(dāng)濕度較小時(shí)，例如干度在95％以上時(shí)，對(duì)渦街流量計(jì)和差壓式流量計(jì)影響均不大，即流量計(jì)能正常工作，只是測(cè)量誤差稍大，但濕度大到一定程度，對(duì)各種流量計(jì)均有較大影響，但影響的程度卻有顯著差異。
人們?cè)谟脺u街流量計(jì)測(cè)量濕蒸汽流量時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一種“漏脈沖”現(xiàn)象，即在濕度不大，可以將蒸汽近似看作干蒸汽時(shí)，渦街流量計(jì)的輸出脈沖，與流過(guò)發(fā)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(guān)系就不成立了，輸出脈沖數(shù)比應(yīng)有脈沖數(shù)明顯減少，如果濕度進(jìn)一步增大，甚至完全沒(méi)有脈沖輸出，這就是所謂的“漏脈沖”現(xiàn)象。
關(guān)于這種漏脈沖現(xiàn)象的機(jī)理，目前尚未見(jiàn)有資料作深入的分析，但這種現(xiàn)象是客觀存在的。
應(yīng)用節(jié)流式差壓流量計(jì)來(lái)測(cè)量飽和蒸汽流量，有時(shí)也會(huì)碰到蒸汽帶水的情況，當(dāng)流量計(jì)安裝在水平管道上時(shí)，管道底部會(huì)出現(xiàn)分層流動(dòng)的水。儀表制造廠一般在孔板的下部開一個(gè)疏水孔，以防凝結(jié)水在節(jié)流件前面集聚，影響流通截面。在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，還給出了這種疏水孔所引入的誤差計(jì)算和修正方法[3]。對(duì)于安裝在垂直管道上的節(jié)流式差壓流量計(jì)，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(shuō)的“具有較好的適應(yīng)性”只是相對(duì)于渦街流量計(jì)而言。
5 輕微的流動(dòng)脈動(dòng)對(duì)差壓式流量計(jì)無(wú)明顯影響
流動(dòng)脈動(dòng)常見(jiàn)于工業(yè)管流，從現(xiàn)場(chǎng)儀表往往看不出流動(dòng)脈動(dòng)的存在，因而往往不被人們所注意。
流動(dòng)脈動(dòng)對(duì)大多數(shù)流量測(cè)量?jī)x表都有影響，使之示值升高，但影響的程度有很大差別。
流動(dòng)脈動(dòng)作用在渦街流量計(jì)的傳感器探頭上，脈動(dòng)的推力使之產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖輸出，因而使渦街流量計(jì)示值出現(xiàn)大幅度的升高，有時(shí)甚至是成數(shù)倍的升高[4]。
流動(dòng)脈動(dòng)影響渦街流量計(jì)的最常見(jiàn)的例子是安裝在減壓閥后面的渦街流量計(jì)，流量示值因脈動(dòng)而大幅度升高。
一個(gè)熱力公司要向?yàn)閿?shù)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(guī)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(wǎng)的最低壓力。而對(duì)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(jìn)入用戶界區(qū)之后，增設(shè)一個(gè)減壓站。
蒸汽減壓站的減壓（穩(wěn)壓）功能主要由一個(gè)蒸汽直接作用壓力調(diào)節(jié)閥承擔(dān)。這個(gè)調(diào)節(jié)閥兩端壓差大小不一，調(diào)節(jié)閥閥芯閥座的結(jié)構(gòu)形式也有很大差異，在調(diào)節(jié)閥兩端壓差較大，而相對(duì)流量較小時(shí)，閥門開度很小，這時(shí)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(chǎn)生旋渦。當(dāng)閥門開度小于一定值（例如5％）時(shí)，甚至出現(xiàn)閥芯不停地抖動(dòng)，引起流動(dòng)脈動(dòng)。
流動(dòng)脈動(dòng)對(duì)差壓式流量計(jì)的影響是通過(guò)三個(gè)途徑，即①平方根誤差；②慣性影響；③對(duì)流出系數(shù)的影響，三個(gè)因素共同作用，使節(jié)流式差壓流量計(jì)的示值升高，其脈動(dòng)附加不確定度的估算可查閱有關(guān)文獻(xiàn)[3]。但其影響程度要比渦街流量計(jì)輕得多。
6 在低雷諾數(shù)測(cè)量條件下，差壓流量計(jì)有較好的適應(yīng)性
在被測(cè)流體粘度較高，例如比水大數(shù)倍的使用條件下，渦街流量計(jì)要慎用，因?yàn)闇u街流量計(jì)保證測(cè)量精確度的最小雷諾數(shù)為20 000，而雷諾數(shù)低于5 000 時(shí)，就可能沒(méi)有穩(wěn)定的旋渦產(chǎn)生。
標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)的最新國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO5167:2003(E)，所提供的計(jì)算公式，在雷諾數(shù)大于等于4 000 后就能保證測(cè)量精確度[5]，雷諾數(shù)小于4 000 后，測(cè)量精確度降低，但不會(huì)像流體振蕩式流量計(jì)那樣，因停止振蕩而輸出全無(wú)。
7 節(jié)流式差壓流量計(jì)檢定方便
用于貿(mào)易結(jié)算等用途的流量計(jì)，國(guó)家規(guī)定執(zhí)行強(qiáng)制檢定。對(duì)于業(yè)主單位來(lái)說(shuō)，完成流量計(jì)的周期檢定是一項(xiàng)重要的法定任務(wù)。于是，檢定是否方便也成了儀表選型時(shí)要考慮的重要方面。
渦街流量計(jì)的檢定，要放在流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行，不僅拆裝、搬運(yùn)、送檢麻煩，而且為了檢定要停用較長(zhǎng)的時(shí)間。而節(jié)流式差壓流量計(jì)由于規(guī)程規(guī)定可以用幾何檢定法進(jìn)行檢定，因此，可在現(xiàn)場(chǎng)找到合適的場(chǎng)所進(jìn)行檢定，既省時(shí)間又省檢定成本。
8 流量計(jì)口徑較大時(shí)，差壓式流量計(jì)較便宜節(jié)流式差壓流量計(jì)的成本由節(jié)流裝置、差壓變送器及附屬裝置組成，當(dāng)儀表口徑增大時(shí)，只需節(jié)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(shí)，尤其是在流體溫度較高（t >300℃）時(shí)，節(jié)流式差壓流量計(jì)的價(jià)格優(yōu)勢(shì)尤為明顯。
9 節(jié)流式差壓流量計(jì)變更測(cè)量范圍較方便
流量計(jì)在安裝完畢投入使用時(shí)，總會(huì)發(fā)現(xiàn)一定比例的儀表流量測(cè)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(guò)流量計(jì)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(yùn)行時(shí)才發(fā)現(xiàn)，實(shí)際流量比原來(lái)估計(jì)的流量小得多，對(duì)于選用渦街流量計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)，甚至?xí)l(fā)現(xiàn)流量傳感器無(wú)脈沖輸出。對(duì)于選用節(jié)流式差壓流量計(jì)的設(shè)計(jì)中，流量示值有時(shí)只有滿度值的20%～30％。作為預(yù)防措施，有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員，往往將差壓上限選在適中的數(shù)值，例如低壓蒸汽，選差壓上限為40～60 kPa，這樣，當(dāng)開表后如果發(fā)現(xiàn)實(shí)際流量略微超過(guò)滿量程或相對(duì)示值偏低，就可對(duì)差壓上限進(jìn)行重新計(jì)算，然后用手持終端重新設(shè)置差壓變送器的測(cè)量上限。而對(duì)于旋渦流量計(jì)，一旦發(fā)現(xiàn)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(tái)口徑與原設(shè)計(jì)不同的渦街流量計(jì)，對(duì)于一個(gè)使用大量?jī)x表的老企業(yè)來(lái)說(shuō)，或許不是一件困難的事，因?yàn)榭傆幸恍﹤浔恚鴮?duì)于一個(gè)新企業(yè)、小企業(yè)或工程公司來(lái)說(shuō)，就是一件困難的事。
10 結(jié)束語(yǔ)
節(jié)流式差壓流量計(jì)的主要不足是范圍度不夠大，較長(zhǎng)的引壓管線導(dǎo)致安裝麻煩，而且易漏、易堵、易凍結(jié)，易引起差壓信號(hào)的傳遞失真。近些年的改進(jìn)主要有：
① 差壓變送器的精度等級(jí)得到大幅度提高，從早先的1.5 級(jí)提高到后來(lái)的0.5 級(jí)，再到現(xiàn)在的0.1 級(jí)甚至0.75 級(jí)。在相對(duì)流量低于30％時(shí)，節(jié)流裝置送出的差壓信號(hào)也能到精確測(cè)量，從而有利于流量測(cè)量范圍度的擴(kuò)大;
② 流量顯示儀表的改進(jìn)，不僅使顯示儀表精確度得以提高，更重要的是：制約節(jié)流式差壓流量計(jì)范圍度擴(kuò)大的流出系數(shù)非線性和可膨脹性系數(shù)影響得到補(bǔ)償，從而使節(jié)流式差壓流量計(jì)的系統(tǒng)精確度大大提高，范圍度可擴(kuò)大到10:1[6];
③ 對(duì)引壓管線的改進(jìn)體現(xiàn)在一體化節(jié)流式流量計(jì)上。在一體化節(jié)流式差壓計(jì)中，引壓管縮得很短，所以，改進(jìn)前存在的易漏、易堵、易凍結(jié)，差壓信號(hào)傳遞失真問(wèn)題，安裝工程量大等問(wèn)題均得到解決;
④ 新的計(jì)算公式，使一次元件測(cè)量不確定度進(jìn)一步減小。這主要體現(xiàn)在新的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO5167:2003(E)上。
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