影響渦街流量計測量準確度的幾個因素
[導讀] 渦街流量計是生產(chǎn)中測量流量的重要工具之一。文章簡述了渦街流量計的測量原理、基本結構，詳細分析了影響渦街流量計測量準確度的選型、安裝、溫度壓力補償、旋渦發(fā)生體迎流面堆積、配管內(nèi)徑與流量計內(nèi)徑不一致等因素，并提出了解決影響測量精度的具體方案。
渦街流量計是二十世紀70年代發(fā)展起來的一種新型流量儀表，由于頻率信號不受流體組分、密度、壓力、溫度的影響，量程寬，精度較高，結構簡單，安裝維護方便，應用范圍廣等優(yōu)點，受到國內(nèi)外廣大用戶歡迎，發(fā)展較快，應用不斷擴大，在許多領域已替代了差壓式流量計和其它流量儀表。
1 渦街流量計測量計原理
把一個非流線型阻流體（BluffBody）垂直插入管道中，隨著流體繞過阻流體流動，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)之比滿足一個常數(shù)時，這樣的渦列才是穩(wěn)定的。（對于圓柱形旋渦發(fā)生體這個比例為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。
由此可得瞬時體積流量與渦街頻率的關系為：
（2）
從上式可以得到儀表系數(shù)K為：
（3）
式中：qv-通過流量計的體積流量（L/s）；f-流量計輸出的信號頻率；k-渦街流量計 的儀表系數(shù)（1/L）。
由上式可以看出，在St為常數(shù)時，儀表系數(shù)k僅與旋渦發(fā)生體的幾何參數(shù)有關，而與流體物性和組分無關。因此，渦街流量計 既可以測量液體，也可以測量氣體。用水標定的渦街流量計 可以用來測氣體。
圖2 St數(shù)與雷諾數(shù)的關系
圖2為斯特勞哈爾數(shù)與雷諾數(shù)的關系。從上圖可以看出管道內(nèi)流體的雷諾數(shù)若小于5×103時，測量將無法進行，因此選型時要注意渦街流量計 的***小流量的限制[4-5]。隨著科學技術的發(fā)展，目前也有一些廠家的渦街流量計 可對不同雷諾數(shù)段的St值進行分段補償，如Endress+Hause的Prowirl73型的渦街流量計 。
2 渦街流量計的結構
根據(jù)卡門渦街原理設計制造的渦街流量計 ，由于設計的時間及生成手段的不同，其檢測方式及相應的檢測原件都有所不同，所以結構也不一樣。以差動電容式渦街流量計 為例，在旋渦發(fā)生體后面安裝差動電容傳感器 ，該傳感器為圓筒形，用變極距原理工作。當有流體流過時，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，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 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原理，對于差動電容的渦街傳感器，當有外界管道機械振動或有流體沖擊時，不管振動方向如何，引起電容檢測元件的內(nèi)外電極同時做方向相同、變形量相等的振動，而由于此時的兩電極間的相對距離保持不變，電容量也沒有變化。所以差動電容渦街流量計 的抗振性優(yōu)于壓電晶體等檢測方式的渦街流量計 。
3 渦街流量計 的選型
3.1 渦街流量計口徑的選取
儀表生產(chǎn)廠家不同，其選型方式會有所不同。應根據(jù)其相應的選型方式，作出詳細的計算，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的口徑，選型時要注意：
雷諾數(shù)限制：當雷諾數(shù)Re<5×103時，渦街流量計 基本不能測量，當雷諾數(shù)Re<2×104時，因St非線性偏高，所以導致測量值偏差大；流速限制：對于測量液體流量，***大流速10m/s，測量氣體流量時，***大流速75m/s。
為使流量計的流速大一些，渦街流量計 工作在測量精度保證范圍內(nèi)，要盡量選用比公稱通徑小的流量計。如果流量計的口徑偏大，則使流量在低限運行，使得測量值不準確。
3.2 傳感器檢測元件材質(zhì)的選取
在化工場合，許多介質(zhì)時帶有腐蝕性的，因此在選型時應根據(jù)相應的介質(zhì)選擇相應的傳感器材質(zhì)。否則傳感器或旋渦發(fā)生體被腐蝕后，輕者會影響測量，重者使儀表無法正常測量，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
當測量粘度較大或者易沉淀的流體，會在渦街發(fā)生體表面有粘附或沉積物時會使發(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，儀表的靈敏度會降低。對此建議選用其他原理的流量計，或經(jīng)常清洗流量計傳感器和旋渦發(fā)生體。
4 渦街流量計 的安裝要點
（1）選擇合理的安裝場所。如避開強電力設備、高頻設備、強電源開關設備；避開高溫熱源和輻射熱源的影響；避開強烈振動。
（2）上下游直管段滿足要求。不同的阻流件對流場的影響是不一樣的，在突縮和突擴管段可能在肩部形成二次流，在彎管位置在流動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也將受到影響。因此不同阻流件對直管段的要求也不同，見圖3，如流量計前有一個彎頭時，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。而流量計前有兩個彎頭時，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）有振動的管道，渦街流量計 表頭水平安裝，對于振動較強的管系，設置減振裝置。
（4）如有可能安裝旁通管，便于檢修。
（5）測量含有少量異相的流體時，注意傳感器的安裝位置。如測量介質(zhì)中還有固體物時，流量計應安裝在不易沉淀的地方；而測量介質(zhì)為氣體，其中含有液體時，應在流量計前安裝排放閥，否則會產(chǎn)生氣錘，損壞傳感器。
（6）介質(zhì)溫度較高時，流量計表頭向下安裝，或選用分體式流量計。
（7）渦街流量計 信號傳輸電線應采用金屬屏蔽電線，要有良好的接地措施。遵循一點接地原則。
（8）管道隔熱保溫。一般測量蒸汽時，管道隔熱保溫是防止能量散失的重要手段，當對渦街流量計 進行隔熱處理時，應確保渦街流量計 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 進口壓力要滿足要求：
（4）
Δp-渦街流量計 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 直管段***小要求
5 渦街流量計 測量中的壓力、溫度補償
渦街流量計 測得的是工作狀況下的體積流量，以下情況需要壓力、溫度補償：
（1）測量介質(zhì)為液體，輸出為質(zhì)量流量（部分液體）；
（2）測量介質(zhì)為氣體，輸出為標準狀態(tài)下的體積流量；
（3）測量介質(zhì)為氣體，輸出為質(zhì)量流量；
此時，還需要一個流量積算儀，根據(jù)一定的溫度壓力補償公式來計算出所需要的流量。
6 影響渦街流量計 測量準確度 的其它因素
6.1 旋渦發(fā)生體迎流面堆積的影響
如果被測流體中存在黏性顆粒，則可能會逐漸堆積在旋渦發(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)也相應變化，影響見圖5所示。
圖5 旋渦發(fā)生體發(fā)生堆積時的精度影響
因此在使用中要注意清理。
6.2 溫度對測量的影響
溫度變化對測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；另一個就是管道內(nèi)徑D變化引起的。消除此影響一般是對K系數(shù)進行修正。
（5）
式中：Kt-流體溫度是t時的流量系數(shù)；Km-流體溫度是t0時的流量系數(shù)；A-常數(shù)，與渦街流量計 的材料和結構有關。
目前一些廠家的流量計已對溫度的影響在軟件中進行固定溫度修正和實時溫度修正，如Endress+Hause的Prowirl72和73型的渦街流量計 。
6.3 配管內(nèi)徑與流量計內(nèi)徑不一致造成的影響
一般進口儀表的內(nèi)徑時按照國外標準生產(chǎn)的，而在國內(nèi)的配管內(nèi)徑為國內(nèi)標準的，兩者之間的差別有時很大，如Endress+Hause的Prowirl72FDN100口徑壓力為PN16的內(nèi)徑為107.1mm，而國內(nèi)的為101.0mm。對于配管內(nèi)徑與流量計內(nèi)徑不一致，可分為兩種情況：
（1）當管道實際內(nèi)徑大于儀表內(nèi)徑時，兩者之間的差值不超過流量計內(nèi)徑的3%，這時造成的誤差很小，對測量無影響，可無需修正。
（2）當管道內(nèi)徑小于儀表內(nèi)徑，且兩者之差不超過流量計內(nèi)徑的2%時，產(chǎn)生的誤差較小，可通過對儀表系數(shù)的修正進行補償，修正因子Kd為：DN-流量計內(nèi)徑；D-配管內(nèi)徑。
（3）當管道內(nèi)徑與儀表內(nèi)徑相差較大，由于流體經(jīng)過這種突變造成的流體擾動使得渦街流量計 的測量變得不再穩(wěn)定和可靠，造成的誤差無法通過修正K系數(shù)來補償。此時需要流量計前后安裝足夠的與流量計內(nèi)徑一致的直管段或流量計前安裝流場優(yōu)化整流器，但安裝整流器后仍需一定的直管段。
7 結束語
渦街流量計 有很多優(yōu)點，價格適宜，只要正確選用渦街流量計 ，進一步采取防干擾措施，采取溫度、壓力補償?shù)认郊诱`差的辦法，渦街流量計 在化工領域中將有廣泛的應用前景。通過選型中選擇合適的流量計口徑，對某些工況進行溫度壓力補償，以及配管內(nèi)徑與流量計內(nèi)徑的協(xié)調(diào)等方面提出來改善渦街流量計 測量準確度 的方案，為儀表的選型、安裝、管理與維護的提供了指導性建議。
