王鳳雨，李一平，金澤

（華電（北京）熱電有限公司，北京 100039）

0 引言

利用節(jié)流差壓原理制成的流量計(jì)有很多種，差壓流量計(jì)原理可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、可靠性較高。但是,差壓流量計(jì)采用的是差壓的數(shù)值，用于差壓型流量計(jì)設(shè)計(jì)計(jì)算的流量方程比較復(fù)雜，儀表測(cè)量精度受被測(cè)流體物性影響較大。差壓流量計(jì)輸出的差壓模擬信號(hào)與流量不是線(xiàn)性關(guān)系，這種模擬信號(hào)不適于遠(yuǎn)傳,且容易出現(xiàn)零漂和溫漂。這些都導(dǎo)致差壓型流量計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)使用系統(tǒng)精度不高。同時(shí),差壓型流量計(jì)的量程一般較窄。這些缺點(diǎn)使得差壓型流量計(jì)在某些測(cè)量精度要求較高的場(chǎng)合不能適用。

渦街流量計(jì)是一種新型的數(shù)字信號(hào)流量計(jì)。渦街流量計(jì)測(cè)量精度高，介質(zhì)通用性好，輸出線(xiàn)性頻率信號(hào)且無(wú)溫漂和零漂，系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單，無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，維護(hù)量很小，可靠性高，工作壽命長(zhǎng)。這些優(yōu)點(diǎn)是其它類(lèi)型流量計(jì)不能同時(shí)兼有的。

橫向脈動(dòng)差壓渦街流量計(jì)是在這兩種流量計(jì)的基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)的。在這里，差壓傳感器不用于測(cè)量差壓的數(shù)值，而是用來(lái)測(cè)量差壓的脈動(dòng)頻率。通常，渦街流量計(jì)的旋渦分離頻率可采用多種不同的方法進(jìn)行檢測(cè)。曾經(jīng)采用和正被采用的方法有：采用應(yīng)變片或壓電晶體檢測(cè)旋渦交替分離引起的橫向交變升力；采用旋渦調(diào)制超聲信號(hào)的方法；采用旋渦交替分離引起的交變差壓推動(dòng)金屬片振動(dòng)，切割磁力線(xiàn)產(chǎn)生交變電動(dòng)勢(shì)的方法；其中，壓電晶體檢測(cè)法是目前采用最多，最普遍的方法。

壓電晶體檢測(cè)法采用高居里點(diǎn)的壓電晶體或壓電陶瓷感受旋渦分離引起的交變橫向升力。壓電晶體不需與被測(cè)介質(zhì)接觸，流量計(jì)的使用介質(zhì)溫度、壓力可以較高；儀表具有較高的可靠性和使用壽命。但是，壓電晶體是一種力敏元件，容易受管道振動(dòng)或聲波激勵(lì)而產(chǎn)生噪聲干擾信號(hào)，流量計(jì)的抗振動(dòng)能力較低。采用壓電晶體檢測(cè)法的渦街流量計(jì)不適用于有強(qiáng)烈機(jī)械振動(dòng)的場(chǎng)合。

橫向脈動(dòng)差壓渦街流量計(jì)采用具有良好動(dòng)態(tài)差壓測(cè)量特性的差壓傳感器，檢測(cè)橫向差壓的脈動(dòng)頻率。差壓傳感器輸出的交變差壓信號(hào)經(jīng)濾波、整形成為與流量成比例的頻率信號(hào)輸出。與壓電晶體檢測(cè)法的渦街流量計(jì)相比，差壓檢測(cè)式渦街流量計(jì)具有更好的抗機(jī)械振動(dòng)的能力。而且，差壓傳感器系統(tǒng)置于流量計(jì)的流管之外，維修和更換差壓傳感器時(shí)不需要切斷管流。

目前，市場(chǎng)上還沒(méi)有可供現(xiàn)場(chǎng)使用的差壓檢測(cè)式渦街流量計(jì)產(chǎn)品。文獻(xiàn)上介紹的差壓檢測(cè)式渦街流量計(jì)采用兩側(cè)管壁取差壓的方法，即在旋渦發(fā)生體后兩側(cè)流管壁上分別設(shè)置感壓孔和導(dǎo)壓管，用差壓傳感器測(cè)量這兩點(diǎn)的差壓，通過(guò)差壓傳感器輸出的差壓脈動(dòng)信號(hào)得到旋渦分離頻率，進(jìn)而獲得體積流量值。這種兩側(cè)壁取壓方式的取壓點(diǎn)位置有多種方案，但都處于旋渦發(fā)生體后面的旋渦尾流部分。旋渦發(fā)生體的下游是流動(dòng)噪聲較強(qiáng)的區(qū)域，因此，最終所采集的差壓信號(hào)中疊加有較強(qiáng)，較復(fù)雜的流動(dòng)澡聲信號(hào)。這會(huì)加重信號(hào)處理電路的負(fù)擔(dān)。此外，這種取壓方式需要較長(zhǎng)的引壓管線(xiàn)，導(dǎo)致交變差壓檢測(cè)系統(tǒng)的頻率特性變差，也不利于渦街流量計(jì)差壓傳感器及附件的結(jié)構(gòu)布置。為了開(kāi)發(fā)一種流動(dòng)噪聲信號(hào)較低同時(shí)結(jié)構(gòu)又緊湊的差壓檢測(cè)式渦街流量計(jì)，對(duì)旋渦發(fā)生體直接取差壓的差壓檢測(cè)式渦街流量計(jì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并開(kāi)發(fā)成功了旋渦發(fā)生體上直接取差壓的橫向脈沖差壓渦街流量計(jì)。

1 橫向脈動(dòng)差壓渦街流量計(jì)原理

1.1 “橫向差壓”的概念

節(jié)流差壓型流量計(jì)通常是在節(jié)流件的上下游分別設(shè)置取壓孔，通過(guò)測(cè)量?jī)烧叩牟顗褐?，?jì)算得出流量，也就是說(shuō)兩個(gè)取壓孔和流體流動(dòng)方向是沿流動(dòng)方向上下游的縱向排列,測(cè)量的是”縱向差壓”。而差壓檢測(cè)式渦街流量計(jì)的兩個(gè)取壓孔則設(shè)置在與流動(dòng)方向垂直的同一平面上，它要檢測(cè)的是流體的橫向差壓的脈動(dòng)頻率見(jiàn)圖1圖2。

圖1 縱向差壓[1]Fig.1 Longitudinal differentialpressure[1]

圖2 橫向脈動(dòng)差壓[1]Fig.2 Horizontal differentialpressure fluctuation[1]

1.2 橫向脈動(dòng)差壓的產(chǎn)生機(jī)理

當(dāng)管道內(nèi)的流體流經(jīng)非流線(xiàn)型斷面的柱體時(shí)，雷諾數(shù)達(dá)到一定數(shù)值后，在柱體后部?jī)蓚?cè)會(huì)產(chǎn)生交替分離的旋渦，導(dǎo)致流體產(chǎn)生振蕩射流流動(dòng)，即柱體兩側(cè)的流體流速交替增大或變小。柱體兩側(cè)由于流體的振蕩流動(dòng)而產(chǎn)生脈動(dòng)的橫向差壓。兩側(cè)差壓的正負(fù)方向與旋渦分離頻率同步交替變化。

圖3 振蕩流動(dòng)的上半周期和下半周期的柱側(cè)流速變化[2]Fig.3 Oscillatory flow in the upper side of the second half of the cycle and cycle changes in flow velocity [2]

從流體流動(dòng)機(jī)理上分析，旋渦從柱體的兩側(cè)交替形成和脫離的過(guò)程中,柱體后部的一股不斷改變方向的橫向流起了重要的作用,正是這股橫向流周期性地改變方向,維持了沿柱體繞流的規(guī)則振蕩現(xiàn)象。

圖4 交變橫流和交變差壓[2]Fig.4 AC cross flow and differential pressure[2]

1.3 差壓脈動(dòng)頻率與流量的關(guān)系

研究表明，柱體繞流的規(guī)則振蕩的頻率取決于管內(nèi)平均流速大小和柱體的幾何參數(shù)（斷面形狀和尺寸）。

當(dāng)柱體斷面的幾何形狀一定時(shí)，旋渦分離頻率與柱側(cè)流速v和柱體迎流面寬度d有確定的比例關(guān)系：

f = St ×v / d

上式中，斯特勞哈爾數(shù)St是僅由柱體斷面幾何形狀確定的系數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明，在一定的Re數(shù)范圍內(nèi)，St是一個(gè)常數(shù)。而d是定值，因此，脈動(dòng)差壓的頻率，即流體振蕩的頻率f與管內(nèi)平均流速v成正比。瞬時(shí)流量與流體振蕩頻率成確定的線(xiàn)性關(guān)系。測(cè)得橫向差壓脈動(dòng)頻率即測(cè)得管內(nèi)流量。

圖5 橫向差壓渦街流量計(jì)測(cè)量流程[3]Fig.5 Transverse differential pressure vortexflowmeters process[3]

2 橫向差壓型渦街流量計(jì)的主要結(jié)構(gòu)

1）旋渦發(fā)生體；2）差壓傳感器；3）信號(hào)處理電路；4）表體；5）三閥組。

2.1 管壁取壓（DN50以下）

圖6 管壁取壓產(chǎn)品實(shí)例、取樣結(jié)構(gòu)示意圖[3]Fig.6 Wall tappings, sampling the product instance structure diagram[3]

2.2 柱體取壓（DN80-DN300）

圖7 柱體取壓產(chǎn)品實(shí)例、取樣結(jié)構(gòu)示意圖[3]Fig.7 Cylinder pressure, sampling the product instance structure diagram[3]

2.3 柱側(cè)取壓

圖8 柱側(cè)取壓產(chǎn)品實(shí)例、取樣結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Cylinder pressure, sampling the product instance structure diagram

3 橫向差壓式渦街流量計(jì)主要特點(diǎn)

3.1 原始信號(hào)為脈沖數(shù)字信號(hào)

1）脈沖數(shù)字信號(hào)，壓力元件無(wú)“零點(diǎn)漂移”或“溫度漂移”。（它是測(cè)量變化量，而不是測(cè)量幅度)。

2）傳輸距離遠(yuǎn)，信號(hào)幅度的衰減并不影響流量測(cè)量精度。

3）儀表的準(zhǔn)確度為示值準(zhǔn)確度。

3.2 壓力傳感器數(shù)字信號(hào)與流體為線(xiàn)性關(guān)系

數(shù)字脈沖信號(hào)與流量的線(xiàn)性關(guān)系可獲得較高的測(cè)量精度。

3.3 差壓傳感器原始信號(hào)信噪比高

傳感器原始信號(hào)信噪比好，可大幅度降低流量計(jì)的測(cè)量下限。

3.4 可用于測(cè)量組分變化的介質(zhì)

在測(cè)量體積流量時(shí)，流量計(jì)的儀表系數(shù)與介質(zhì)密度幾乎無(wú)關(guān)。

因此在測(cè)量變組分的氣體、液體時(shí)，與差壓流量計(jì)相比，準(zhǔn)確度較高。

3.5 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 安裝方便

流量計(jì)在管道上直接安裝，無(wú)需要另裝引壓管，差壓變送器等。

3.6 抗振能力強(qiáng)

受管道振動(dòng)及聲波影響小，抗振能力優(yōu)于傳統(tǒng)的應(yīng)力檢測(cè)式渦街流量計(jì)。

3.7 測(cè)量下限低，量程比寬。

DN80 樣機(jī)在中國(guó)航空工業(yè)計(jì)量站的20000升鐘罩檢定系統(tǒng)上進(jìn)行了精度測(cè)試，得到圖9。

圖9 檢定曲線(xiàn)Fig.9 Calibration curve

在不同量程下，精度指標(biāo)分別為：

流量區(qū)間30-802 m3/h ，線(xiàn)性誤差±1.1%，重復(fù)性誤差0.36%（范圍度1:26）。

流量區(qū)間50-802 m3/h ， 線(xiàn)性誤差±0.51%重復(fù)性誤差0.12%（范圍度1:16）。

流量區(qū)間70-694 m3/h ，線(xiàn)性誤差±0.3%，重復(fù)性誤差0.12%（范圍度1:10）。

從圖10～圖16可以看出：各測(cè)量流量點(diǎn)的信號(hào)質(zhì)量較好。

圖10 流量 32.7 m3/h信號(hào)波形圖Fig.10 32.7 m3/h flow signal waveforms

圖11 流量 50.6 m3/h信號(hào)波形圖Fig.11 50.6 m3/h flow signal waveforms

圖12 流量 70.6 m3/h信號(hào)波形圖Fig.12 70.6 m3/h flow signal waveforms

圖13 流量 202.4 m3/h信號(hào)波形圖Fig.13 202.4 m3/h flow signal waveforms

圖14 流量 404.4 m3/h信號(hào)波形圖Fig.14 404.4 m3/h flow signal waveforms

圖15 流量 695.6 m3/h信號(hào)波形圖Fig.15 695.6 m3/h flow signal waveforms

圖16 流量 802.9 m3/h信號(hào)波形圖Fig.16 flow 802.9 m3/h signal waveforms

3.8 可以不斷流在線(xiàn)更換檢測(cè)元件

傳感器元件可實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)更換，更換傳感器元件后，儀表系數(shù)不發(fā)生變化。

3.9 旋渦發(fā)聲體側(cè)面中心取壓不易堵塞

DN80以上口徑取壓空設(shè)置在旋渦發(fā)聲體側(cè)面的中心，此位置流速最大，在測(cè)量贓物介質(zhì)時(shí)，有自清洗能力，與常規(guī)差壓流量計(jì)的管壁取壓相比，比較不易堵塞。

4 主要缺點(diǎn)和不足

1）和應(yīng)力式渦街流量計(jì)相比，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。

2）測(cè)量高溫介質(zhì)時(shí)，需加裝冷凝管。

3）管壁取壓型，不適合測(cè)量臟污介質(zhì)。

5 結(jié)論

應(yīng)力式渦街流量計(jì)檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)在比較成熟，但是管道振動(dòng)對(duì)測(cè)量的影響一直困擾生產(chǎn)廠家和用戶(hù)。雖然有多種提高抗振動(dòng)能力的設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)措施，還是不能徹底解決儀表抗振問(wèn)題，應(yīng)用范圍受到限制。

橫向差壓渦街流量計(jì)的推入市場(chǎng)，進(jìn)一步了拓寬渦街流量計(jì)的應(yīng)用范圍，特別是在大管徑、低流速、變組分流體測(cè)量以及有強(qiáng)振動(dòng)的場(chǎng)合與應(yīng)力式渦街流量計(jì)和差壓流量計(jì)相比，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

[1]北京菲波安樂(lè)儀表有限公司.企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/CPFBA0001-2012[Z].

[2]蔡武昌、孫淮清、紀(jì)綱.流量測(cè)量方法和儀表的選用[M].北京：化工出版社.

[3]北京菲波安樂(lè)儀表有限公司.渦街流量計(jì)使用手冊(cè)[Z].