徐國(guó)榮

（蘇州地靈電氣有限公司，江蘇 蘇州 215200）

在工業(yè)自動(dòng)化測(cè)量與控制中，對(duì)于介質(zhì)流量的測(cè)量是比較重要但較難于掌握。特別是在推廣工業(yè)集中供熱的今天，對(duì)于蒸汽流量的正確合理計(jì)量日顯重要，計(jì)量的方式是否合適將影響貿(mào)易結(jié)算的公正性及能源的節(jié)能降耗。原有標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流件對(duì)于蒸汽流量的計(jì)量已被非常廣泛地認(rèn)識(shí)和采用，但節(jié)流件會(huì)對(duì)被測(cè)介質(zhì)產(chǎn)生壓損。隨著測(cè)量技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，現(xiàn)有一種新的流體流量測(cè)量手段已被逐步認(rèn)識(shí)和推廣。

1 渦街流量計(jì)工作原理

1911年世界著名流體專(zhuān)家卡門(mén)教授的渦街理論應(yīng)用是渦街流量計(jì)的基本理論，但它的前提是必須在無(wú)窮大均勻流場(chǎng)中才能在阻流件后形成穩(wěn)定的兩排交錯(cuò)排列的旋渦。

旋渦有以下規(guī)律：

式中：h為旋渦之間的橫向間隔；a為旋渦的前后間隔[1]。那么在封閉管道中流場(chǎng)的速度是非同速的，按照流體力學(xué)知識(shí)，在水力光滑管中，V為流體的流速，Vmax為管道中最大流速，層深狀態(tài)時(shí)：

即在層深時(shí)，流速呈現(xiàn)拋物線形狀。

在紊流狀態(tài)中：

式中：n為一個(gè)與雷諾數(shù)有關(guān)的參數(shù)，在現(xiàn)實(shí)管道中還與管壁粗糙度有關(guān)，r為管中心到管壁的距離[2]。

所以在管道中要插入的阻流件就有以下任務(wù)：

（1）通過(guò)三角柱對(duì)流體的阻塞作用，使流體流過(guò)兩側(cè)弓形面時(shí)幾乎使三角柱兩側(cè)上下流通速度達(dá)到一致。

（2）產(chǎn)生穩(wěn)定、強(qiáng)烈、規(guī)則的旋渦。

（3）使形成的旋渦頻率在較大的流速范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，即盡量寬量程范圍。

經(jīng)過(guò)多年的應(yīng)用對(duì)比及與有關(guān)流量計(jì)生產(chǎn)單位的實(shí)驗(yàn)探討，得知三角柱寬度與管道直徑比d/D控制在0.28時(shí)效果較好，三角板的尾角在38o～42o均可以，38o時(shí)在空氣中標(biāo)定線性好，42o在水中標(biāo)定線性好。

在三角柱具體安裝時(shí)，對(duì)于測(cè)尾流振動(dòng)頻率的探頭外置型渦街，三角柱與管壁必須緊密連接，縫隙盡量小，并且兩側(cè)不能有焊點(diǎn)，否則旋渦會(huì)有噪聲干擾。此時(shí)通過(guò)敏感元件所測(cè)檢漏信號(hào)并給電路處理即能獲得旋渦頻率f：

由式（4）可見(jiàn)f與管流流速成正比。

通過(guò)在氣體標(biāo)定裝置或水的標(biāo)定裝置上檢定可以獲得儀表系數(shù)K，K是單位工況體積介質(zhì)流過(guò)流量計(jì)時(shí)產(chǎn)生的脈沖數(shù)（即旋渦個(gè)數(shù)），即一個(gè)脈沖反過(guò)來(lái)代表多少工況體積的流體介質(zhì) （注意是工況體積）。所以渦街流量計(jì)類(lèi)似于沒(méi)有活動(dòng)部件的容積式流量計(jì)，是先天的數(shù)字流量計(jì)。

2 渦街流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)安裝及注意事項(xiàng)

流量?jī)x表一經(jīng)選定，其安裝的正確與否便成為非常重要的問(wèn)題。確保流速分布穩(wěn)定是渦街計(jì)正確安裝保證儀表正常工作的最關(guān)鍵條件之一，而儀表通徑與管道內(nèi)徑是否匹配就是其中非常重要的一個(gè)因素。實(shí)際使用中鋼管的標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)工藝參數(shù)要求不同有很大的區(qū)別，如D273鋼管，現(xiàn)場(chǎng)使用的鋼管壁厚有區(qū)別， 具體規(guī)格有 D273×6、D273×7、D273×8等，這樣同樣D273管實(shí)際鋼管的內(nèi)徑就有區(qū)別。而渦街流量計(jì)的通徑則一般都比較標(biāo)準(zhǔn)，有D N50、D N100、DN150、DN200、DN300 等， 這樣必然就存在一個(gè)匹配的問(wèn)題，而這一點(diǎn)在現(xiàn)場(chǎng)使用中恰恰沒(méi)有得到足夠的重視。

渦街流量計(jì)儀表與管道內(nèi)徑相等是最為理想的，如果流量?jī)x表通徑與管道內(nèi)徑存在差異，就可能產(chǎn)生附加誤差，具體可分以下幾種情況：

（1）管道實(shí)際內(nèi)徑大于儀表通徑，但兩者之差不超過(guò)后者的3%，這時(shí)所產(chǎn)生的誤差很小，仍在儀表的精度范圍內(nèi)，對(duì)測(cè)量無(wú)影響，不需要任何修正；

（2）管道實(shí)際內(nèi)徑小于儀表通徑，但兩者之差在一定的范圍內(nèi)，即通徑DN15至DN100小于等于3%，DN150及以上小于等于1%，則產(chǎn)生的誤差較小，這時(shí)可以通過(guò)對(duì)儀表系數(shù)K進(jìn)行修正來(lái)補(bǔ)償，消除影響；

（3）管道內(nèi)徑與儀表通徑之差較大，超過(guò)上述允許范圍，這時(shí)所產(chǎn)生的誤差也較大，即使修正儀表系數(shù)K也無(wú)法滿足測(cè)量精度及穩(wěn)定性的要求。其原因是這種工況下相當(dāng)于渦街流量計(jì)前已無(wú)直管段，由于管道的突變使流體流速的分布受到擾動(dòng)發(fā)生畸變，這種干擾隨著流速等參數(shù)的變化而變化，并非固定不變，是無(wú)法修正的變量。由此造成渦街流量計(jì)工作不穩(wěn)定，輸出頻率信號(hào)與流速的比例關(guān)系失真，嚴(yán)重影響使用精度，甚至引起波動(dòng)導(dǎo)致儀表無(wú)法正常工作。

據(jù)此在工程設(shè)計(jì)和儀表安裝時(shí)應(yīng)考慮盡可能選用管道內(nèi)徑略大于儀表通徑，但是兩者之差不超過(guò)后者的3%，同時(shí)盡量保證流量計(jì)與管道安裝時(shí)的同心度，以免產(chǎn)生臺(tái)階影響流場(chǎng)分布而影響使用效果。

除此之外還有以下一些安裝時(shí)應(yīng)注意的細(xì)節(jié)問(wèn)題，如有不慎也將影響使用效果，甚至使渦街不能正常工作：

（1）渦街流量計(jì)安裝前后直管段的要求：要注意調(diào)節(jié)閥在小流量時(shí)易產(chǎn)生射流，閥后安裝流量計(jì)直管段過(guò)短會(huì)造成渦銜流量計(jì)工作不穩(wěn)定[3]。

（2）上游如果有插入式測(cè)溫元件，也會(huì)產(chǎn)生頻率很高的旋渦，類(lèi)似閥門(mén)干擾，距離也必須遠(yuǎn)離，或者盡量安裝在流量計(jì)后，因?yàn)榱髁坑?jì)前后基本不會(huì)有多大的溫差，完全能滿足溫度測(cè)量的要求。

（3）在焊接法蘭切割管子時(shí)，焊口要磨平整，不能有焊渣升入到管道中，不平整光滑的焊縫也會(huì)影響流場(chǎng)的均勻分布。

（4）上游安裝測(cè)壓口時(shí)孔不必開(kāi)得很大，也不能有焊渣探入到管邊中，更不允許取壓管有伸入管內(nèi)的情況發(fā)生。

（5）安裝渦街流量計(jì)的管道處應(yīng)盡量避免振動(dòng)，振動(dòng)可能會(huì)產(chǎn)生干擾信號(hào)，等。

3 渦街流量計(jì)在蒸汽流量計(jì)量應(yīng)用中應(yīng)注意的問(wèn)題

國(guó)內(nèi)在工業(yè)較發(fā)達(dá)的地區(qū)熱電聯(lián)產(chǎn)，區(qū)域供汽供熱的現(xiàn)象已很普遍，為工業(yè)供熱貿(mào)易結(jié)算提供準(zhǔn)確可靠的計(jì)量數(shù)據(jù)也就顯得非常的重要。

首先應(yīng)注意一個(gè)常識(shí)，在很多地方計(jì)量技術(shù)監(jiān)督部門(mén)有明文規(guī)定，所有用于貿(mào)易結(jié)算的計(jì)量表計(jì)都是計(jì)量技術(shù)監(jiān)督部門(mén)強(qiáng)制鑒定的儀表，也就是說(shuō)用于貿(mào)易結(jié)算的計(jì)量表計(jì)在安裝前都應(yīng)送計(jì)量監(jiān)督部門(mén)或計(jì)量監(jiān)督部門(mén)授權(quán)認(rèn)可的計(jì)量鑒定機(jī)構(gòu)鑒定合格。出廠前生產(chǎn)廠家出廠檢定報(bào)告不具有法律效力，一旦產(chǎn)生貿(mào)易糾紛未經(jīng)計(jì)量鑒定部門(mén)鑒定合格的儀表將得不到計(jì)量技術(shù)監(jiān)督部門(mén)的支持，將直接認(rèn)定為計(jì)量不合格并承擔(dān)主要責(zé)任。這一點(diǎn)經(jīng)常會(huì)被忽視。

其次渦街流量計(jì)在蒸汽流量測(cè)量中還應(yīng)注意溫壓補(bǔ)償問(wèn)題，渦街流量計(jì)檢測(cè)的是流體在工作狀態(tài)下的體積流量，而在日常貿(mào)易結(jié)算中蒸汽流量計(jì)量習(xí)慣用質(zhì)量流量表示，計(jì)量單位主要為t，kg等。

因此就必然存在一個(gè)體積流量到質(zhì)量流量的折算過(guò)程，折算系數(shù)中就包括流體密度的因素，而蒸汽密度又因溫度壓力的不同而不同，所以渦街流量計(jì)在蒸汽流量測(cè)量中引入溫度壓力補(bǔ)償?shù)哪康木褪窃谡羝麑?shí)際工況偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)，將根據(jù)實(shí)測(cè)溫度壓力參數(shù)計(jì)算蒸汽密度，將蒸汽密度對(duì)質(zhì)量流量測(cè)量結(jié)果的影響予以修正。

蒸汽流量的溫壓補(bǔ)償修正公式是一個(gè)比較復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式，一般是由智能二次儀表如流量積算儀或DCS流量累積功能模塊等來(lái)完成復(fù)雜的計(jì)算過(guò)程，在平時(shí)的工作中可以用簡(jiǎn)化的人工計(jì)算公式進(jìn)行復(fù)核，具體如下[4]：

飽和蒸汽流量計(jì)算修正公式為

過(guò)熱蒸汽流量計(jì)算修正公式為

式（5，6）中：Ms為流體質(zhì)量流量，kg/h；Md為儀表指示流量，kg/h；ρx為刻度流量時(shí)蒸汽的密度，kg/m3；ρ=ap＋b，為飽和蒸汽的密度表達(dá)式；a，b 為常數(shù)，取值與壓力p有關(guān)；p為液體的工作壓力，MPa（絕壓）； ρ=f（p、t），為過(guò)熱蒸汽的密度表達(dá)式；t為過(guò)熱蒸汽溫度，℃。

式中：Mm為在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下流量標(biāo)尺上限，kg/h；Vg，Vd為儀表的信號(hào)制上、下限電壓信號(hào)，V；VL為流量計(jì)輸出信號(hào)，V。

表1列出了a，b與p的關(guān)系，表2列出了ρ與p，t的關(guān)系。

表1 a，b與p的關(guān)系（p為絕壓）

表2 ρ與 p，t的關(guān)系

4 結(jié)束語(yǔ)

深入了解渦街流量計(jì)原理，了解現(xiàn)場(chǎng)安裝及應(yīng)用的基本知識(shí)及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，可以在現(xiàn)場(chǎng)得到很好的使用，發(fā)揮渦街流量計(jì)的優(yōu)勢(shì)，更好地服務(wù)于工業(yè)測(cè)量與控制領(lǐng)域。

[1]姜仲霞，姜川濤，劉桂芳.流體力學(xué)[M].陜西：西安交通大學(xué)出版社，2006.

[2]蘇彥勛，梁國(guó)偉，盛 健.渦街流量計(jì)[M].北京：中國(guó)石化出版社，2006.

[3]蘇焰勛.流量計(jì)量與測(cè)試[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2007.

[4]左國(guó)慶，明賜東.自動(dòng)化儀表故障處理實(shí)例[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社.