影响涡街流量计测量准确度的几个因素

[导读] 涡街流量计是生产中测量流量的重要工具之一。文章简述了涡街流量计的测量原理、基本结构，详细分析了影响涡街流量计测量准确度的选型、安装、温度压力补偿、旋涡发生体迎流面堆积、配管内径与流量计内径不一致等因素，并提出了解决影响测量精度的具体方案。

涡街流量计是二十世纪70年代发展起来的一种新型流量仪表，由于频率信号不受流体组分、密度、压力、温度的影响，量程宽，精度较高，结构简单，安装维护方便，应用范围广等优点，受到国内外广大用户欢迎，发展较快，应用不断扩大，在许多领域已替代了差压式流量计和其它流量仪表。

  1 涡街流量计测量计原理

把一个非流线型阻流体（BluffBody）垂直插入管道中，随着流体绕过阻流体流动，产生附面层分离现象，形成有规则的旋涡列，左右两侧旋涡的旋转方向相反，这种旋涡称为卡门涡街，如图1所示。

图1 涡街形成的原理图

    根据卡门的研究，这些旋列多数是不稳定的，只有形成相互交替的内旋的两排旋涡，且涡列宽度d和同列相邻的两旋涡的间距l之比满足一个常数时，这样的涡列才是稳定的。（对于圆柱形旋涡发生体这个比例为0.281）。

    根据卡门涡街原理，旋涡频率f与管内平均流速u有如下关系：

 （1）

    式中：u1-旋涡发生体两侧平均流速（m/s）；d-旋涡发生体特征度；St-斯特劳哈尔数；m-旋涡发生体两侧弓形面积和管道内横截面积之比。

    由此可得瞬时体积流量与涡街频率的关系为：

（2）

    从上式可以得到仪表系数K为：

（3）

    式中：qv-通过流量计的体积流量（L/s）；f-流量计输出的信号频率；k-涡街流量计 的仪表系数（1/L）。

    由上式可以看出，在St为常数时，仪表系数k仅与旋涡发生体的几何参数有关，而与流体物性和组分无关。因此，涡街流量计 既可以测量液体，也可以测量气体。用水标定的涡街流量计 可以用来测气体。

图2 St数与雷诺数的关系

    图2为斯特劳哈尔数与雷诺数的关系。从上图可以看出管道内流体的雷诺数若小于5×103时，测量将无法进行，因此选型时要注意涡街流量计 的***小流量的限制[4-5]。随着科学技术的发展，目前也有一些厂家的涡街流量计 可对不同雷诺数段的St值进行分段补偿，如Endress+Hause的Prowirl73型的涡街流量计 。

  2 涡街流量计的结构

    根据卡门涡街原理设计制造的涡街流量计 ，由于设计的时间及生成手段的不同，其检测方式及相应的检测原件都有所不同，所以结构也不一样。以差动电容式涡街流量计 为例，在旋涡发生体后面安装差动电容传感器 ，该传感器为圆筒形，用变极距原理工作。当有流体流过时，由于卡门涡街的作用，在发生体后差生交变差压，电容传感器由此产生左右摆动，引起两侧电容的极距发生变化，改变电容量，根据电容量的变化频率就可以得知涡街频率。一般涡街流量计 由传感器和变送器 两部份组成。传感器包括：表体；旋涡发生体；检测元件；法兰等。转换器包括：前置放大器 ；滤波整形电路；接线端子；CPU；存储器单元；显示单元；通信单元等。

    涡街抗振性主要取决于其检测原理，对于差动电容的涡街传感器，当有外界管道机械振动或有流体冲击时，不管振动方向如何，引起电容检测元件的内外电极同时做方向相同、变形量相等的振动，而由于此时的两电极间的相对距离保持不变，电容量也没有变化。所以差动电容涡街流量计 的抗振性优于压电晶体等检测方式的涡街流量计 。

  3 涡街流量计 的选型

    3.1 涡街流量计口径的选取

    仪表生产厂家不同，其选型方式会有所不同。应根据其相应的选型方式，作出详细的计算，来确定口径的大小。而不能盲目的根据管道的口径选择流量计的口径，选型时要注意：

    雷诺数限制：当雷诺数Re<5×103时，涡街流量计 基本不能测量，当雷诺数Re<2×104时，因St非线性偏高，所以导致测量值偏差大；流速限制：对于测量液体流量，***大流速10m/s，测量气体流量时，***大流速75m/s。

    为使流量计的流速大一些，涡街流量计 工作在测量精度保证范围内，要尽量选用比公称通径小的流量计。如果流量计的口径偏大，则使流量在低限运行，使得测量值不准确。

  3.2 传感器检测元件材质的选取

    在化工场合，许多介质时带有腐蚀性的，因此在选型时应根据相应的介质选择相应的传感器材质。否则传感器或旋涡发生体被腐蚀后，轻者会影响测量，重者使仪表无法正常测量，甚至发生介质泄露的事故。

3.3 粘度较大或易沉淀的流体

    当测量粘度较大或者易沉淀的流体，会在涡街发生体表面有粘附或沉积物时会使发生体的形状和尺寸变化，影响仪表系数；而传感器表面有粘附或沉淀物时，仪表的灵敏度会降低。对此建议选用其他原理的流量计，或经常清洗流量计传感器和旋涡发生体。

  4 涡街流量计 的安装要点

    （1）选择合理的安装场所。如避开强电力设备、高频设备、强电源开关设备；避开高温热源和辐射热源的影响；避开强烈振动。

    （2）上下游直管段满足要求。不同的阻流件对流场的影响是不一样的，在突缩和突扩管段可能在肩部形成二次流，在弯管位置在流动方向突然改变的弯管内外侧将形成二次流，在流通截面积突然改变的阀门位置流动也将受到影响。因此不同阻流件对直管段的要求也不同，见图3，如流量计前有一个弯头时，前面的直管段要求20倍的管道内径，后面的直管段要求5倍的管道内径。而流量计前有两个弯头时，前面的直管段要求40倍的管道内径，后面的直管段要求5倍的管道内径。

    （3）有振动的管道，涡街流量计 表头水平安装，对于振动较强的管系，设置减振装置。

    （4）如有可能安装旁通管，便于检修。

    （5）测量含有少量异相的流体时，注意传感器的安装位置。如测量介质中还有固体物时，流量计应安装在不易沉淀的地方；而测量介质为气体，其中含有液体时，应在流量计前安装排放阀，否则会产生气锤，损坏传感器。

    （6）介质温度较高时，流量计表头向下安装，或选用分体式流量计。

    （7）涡街流量计 信号传输电线应采用金属屏蔽电线，要有良好的接地措施。遵循一点接地原则。

    （8）管道隔热保温。一般测量蒸汽时，管道隔热保温是防止能量散失的重要手段，当对涡街流量计 进行隔热处理时，应确保涡街流量计 的传感器和电路部分暴露在外，确保热量向外射以防止仪表电子部件过热。

    （9）为防止气穴现象发生，涡街流量计 进口压力要满足要求：

 （4）

    Δp-涡街流量计 的压损；Pv-使用温度下的液体的******饱和蒸汽压。

图3 涡街流量计 直管段***小要求

  5 涡街流量计 测量中的压力、温度补偿

涡街流量计 测得的是工作状况下的体积流量，以下情况需要压力、温度补偿：

    （1）测量介质为液体，输出为质量流量（部分液体）；

    （2）测量介质为气体，输出为标准状态下的体积流量；

    （3）测量介质为气体，输出为质量流量；

    此时，还需要一个流量积算仪，根据一定的温度压力补偿公式来计算出所需要的流量。

  6 影响涡街流量计 测量准确度 的其它因素

    6.1 旋涡发生体迎流面堆积的影响

    如果被测流体中存在黏性颗粒，则可能会逐渐堆积在旋涡发生体迎流面上，使其几何形状和尺寸发生变化，因而流量系数也相应变化，影响见图5所示。

图5 旋涡发生体发生堆积时的精度影响

    因此在使用中要注意清理。

 6.2 温度对测量的影响

    温度变化对测量体几何尺寸变化的影响有两部分组成，一是旋涡发生体宽度d发生变化引起的；另一个就是管道内径D变化引起的。消除此影响一般是对K系数进行修正。

（5）

    式中：Kt-流体温度是t时的流量系数；Km-流体温度是t0时的流量系数；A-常数，与涡街流量计 的材料和结构有关。

    目前一些厂家的流量计已对温度的影响在软件中进行固定温度修正和实时温度修正，如Endress+Hause的Prowirl72和73型的涡街流量计 。

  6.3 配管内径与流量计内径不一致造成的影响

    一般进口仪表的内径时按照国外标准生产的，而在国内的配管内径为国内标准的，两者之间的差别有时很大，如Endress+Hause的Prowirl72FDN100口径压力为PN16的内径为107.1mm，而国内的为101.0mm。对于配管内径与流量计内径不一致，可分为两种情况：

    （1）当管道实际内径大于仪表内径时，两者之间的差值不超过流量计内径的3%，这时造成的误差很小，对测量无影响，可无需修正。

    （2）当管道内径小于仪表内径，且两者之差不超过流量计内径的2%时，产生的误差较小，可通过对仪表系数的修正进行补偿，修正因子Kd为：DN-流量计内径；D-配管内径。

    （3）当管道内径与仪表内径相差较大，由于流体经过这种突变造成的流体扰动使得涡街流量计 的测量变得不再稳定和可靠，造成的误差无法通过修正K系数来补偿。此时需要流量计前后安装足够的与流量计内径一致的直管段或流量计前安装流场优化整流器，但安装整流器后仍需一定的直管段。

  7 结束语

涡街流量计 有很多优点，价格适宜，只要正确选用涡街流量计 ，进一步采取防干扰措施，采取温度、压力补偿等消除附加误差的办法，涡街流量计 在化工领域中将有广泛的应用前景。通过选型中选择合适的流量计口径，对某些工况进行温度压力补偿，以及配管内径与流量计内径的协调等方面提出来改善涡街流量计 测量准确度 的方案，为仪表的选型、安装、管理与维护的提供了指导性建议。