摘要：由于能源價(jià)格的不斷上漲，用能成本已經(jīng)成為眾多工業(yè)企業(yè)的主要運(yùn)營(yíng)成本之一，對(duì)于能源的計(jì)量也越來(lái)越成為社會(huì)的關(guān)注焦點(diǎn)，能源計(jì)量器具的配備合理與否、計(jì)量準(zhǔn)確與否與企業(yè)的切身利益息息相關(guān)。渦街流量計(jì)由于原始信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，具有測(cè)量精度高、補(bǔ)償計(jì)算簡(jiǎn)單、異常狀況時(shí)易于分析的優(yōu)勢(shì)，在能源的貿(mào)易計(jì)量上占有一席之地。該文介紹了渦街流量計(jì)的測(cè)量原理，分析了渦街流量計(jì)在貿(mào)易計(jì)量上的優(yōu)勢(shì)，以及渦街流量計(jì)應(yīng)用于貿(mào)易計(jì)量時(shí)的注意事項(xiàng)。
渦街流量計(jì)是一種應(yīng)用卡門渦街原理的流量計(jì)，用于液體、氣體和蒸汽的測(cè)量，也可測(cè)量含有微小顆粒、雜質(zhì)的渾濁液體，廣泛應(yīng)用于石油、化工、制藥、造紙、冶金、電力、環(huán)保、食品等行業(yè)。
1渦街流量計(jì)的工作原理
渦街流量計(jì)是以卡門渦街理論為基礎(chǔ)：當(dāng)流體流經(jīng)非線性的三角柱擋體時(shí)，在擋體的兩側(cè)就會(huì)交替產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦信號(hào)，該旋渦的分離頻率與流體的流速成正比[1]。渦街流量計(jì)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。
根據(jù)卡門渦街原理，有如下關(guān)系式：
式中：m—旋渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積與管道橫截面面積之比（無(wú)量綱）；
D—表體通徑（單位：m）；
d—旋渦發(fā)生體迎面寬度（單位：m）；
f—旋渦的發(fā)生頻率（單位：Hz）；
U1—旋渦發(fā)生體兩側(cè)平均流速（單位：m/s）；
Sr—斯特勞哈爾數(shù)（無(wú)量綱）；
U—被測(cè)介質(zhì)來(lái)流的平均速度（單位：m/s）；
qv—瞬時(shí)體積流量（單位：m3/s）；
K—流量計(jì)的儀表系數(shù)（單位：m-3）
由公式可見(jiàn)，平均儀表系數(shù)的大小只與渦街流量傳感器幾何尺寸即渦街口徑、阻擋體寬度與斯特勞哈爾數(shù)Sr有關(guān)。斯特勞哈爾數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系如圖2所示，可見(jiàn)，當(dāng)雷諾數(shù)Re在2×104～7×106之間時(shí)，Sr可視為常數(shù)。也就是說(shuō)，對(duì)于一臺(tái)口徑、阻擋體幾何尺寸已經(jīng)確定的渦街流量計(jì)，它的儀表系數(shù)在一定的流速范圍內(nèi)是定值的。
2渦街流量計(jì)的特點(diǎn)
1）可測(cè)量液體、氣體、蒸汽的流量；
2）輸出為脈沖頻率，其頻率與被測(cè)流體的實(shí)際體積流量成正比，且不受流體組分、密度、壓力、溫度的影響；
3）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定可靠；
4）量程比適中，普通傳感器量程比可達(dá)10∶1以上，智能渦街流量計(jì)量程比可達(dá)40∶1；5）壓力損失小，約為孔板流量計(jì)的1/4～1/2。
3渦街流量計(jì)在貿(mào)易計(jì)量上的優(yōu)勢(shì)
1）渦街流量信號(hào)為數(shù)字頻率方式，測(cè)量精度高渦街流量計(jì)的旋渦分離頻率是與體積流量的大小成正比的，且分離頻率不受流體組分、密度、壓力、溫度的影響。只要測(cè)量出旋渦個(gè)數(shù)，就可以準(zhǔn)確計(jì)算出體積流量，而旋渦個(gè)數(shù)的測(cè)量是純數(shù)字概念，不存在測(cè)量數(shù)值上的誤差，讓渦街流量計(jì)具有
了全量程范圍內(nèi)流量信號(hào)精確的特點(diǎn)，是其它模擬類流量計(jì)不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。傳感器線性均為1%的脈沖型渦街和模擬類流量計(jì)精度對(duì)比如表1所示。
2）補(bǔ)償運(yùn)算簡(jiǎn)單，計(jì)算精度高，未知參數(shù)少
渦街流量計(jì)的體積流量可以通過(guò)測(cè)量旋渦分離頻率得知，蒸汽密度、氣體密度、壓縮系數(shù)都可以通過(guò)測(cè)量溫度壓力進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算，且計(jì)算公式均為國(guó)標(biāo)或國(guó)際公式，計(jì)算精度高。與差壓式流量計(jì)對(duì)比，差壓式流量計(jì)計(jì)算結(jié)果受密度、粘度、等熵指數(shù)、壓縮系數(shù)、氣體可膨脹系數(shù)以及結(jié)構(gòu)尺寸熱脹冷縮變化的影響[2]，補(bǔ)償計(jì)算較復(fù)雜，且很多差壓式流量計(jì)并沒(méi)有氣體可膨脹系數(shù)的補(bǔ)償計(jì)算公式，因此，計(jì)量結(jié)果會(huì)存在一定偏差。
渦街流量計(jì)算法流程如圖3所示，圖中虛線框?yàn)橥獠坎杉盘?hào)，實(shí)線框?yàn)橛?jì)算參數(shù)；差壓式流量計(jì)算法流程如有圖4所示，圖中虛線框?yàn)橥獠啃盘?hào)及已知參數(shù)，實(shí)線框?yàn)橛?jì)算參數(shù)。
3）儀表測(cè)量異常時(shí)，能快速分析判斷
由于卡門渦街流量信號(hào)是由旋渦頻率數(shù)值來(lái)體現(xiàn)的，在正常情況下，旋渦分離頻率是穩(wěn)定的，只有當(dāng)傳感器發(fā)生異�；蚬r發(fā)生變化時(shí)，旋渦分離頻率才會(huì)有很大的變化，因此，通過(guò)觀察渦街流量傳感器頻率變化范圍的大小，可以很方便的分析出傳感器是否存在故障，不會(huì)出現(xiàn)模擬類傳感器在使用時(shí)因?yàn)榱泓c(diǎn)偏移或模擬轉(zhuǎn)換誤差而帶來(lái)不易發(fā)現(xiàn)的計(jì)量誤差。渦街信號(hào)如圖5所示[3]。
觀察渦街流量計(jì)放大整形后波形，若為均勻方波信號(hào)，則為正常流量變化；若出現(xiàn)明顯不均勻方波信號(hào)，則可能為外界干擾、超出測(cè)量范圍或傳感器故障導(dǎo)致。
4渦街流量計(jì)在貿(mào)易計(jì)量上的注意事項(xiàng)
除常規(guī)的選型設(shè)計(jì)外，渦街流量計(jì)用在貿(mào)易計(jì)量時(shí)，還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
1）蒸汽狀態(tài)變化對(duì)流量測(cè)量的影響測(cè)量蒸汽時(shí)，在蒸汽經(jīng)過(guò)閥門或較長(zhǎng)管道輸送后，可能會(huì)產(chǎn)生蒸汽狀態(tài)變化的情況：
（1）過(guò)熱蒸汽變?yōu)轱柡驼羝?/div>
過(guò)熱蒸汽在管道輸送過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生熱能損失，即溫度降低。當(dāng)溫度降到一定程度時(shí)，會(huì)從過(guò)熱
蒸汽狀態(tài)進(jìn)入臨界干飽和狀態(tài)或過(guò)飽和狀態(tài)。如進(jìn)入干飽和狀態(tài)，理論上不會(huì)產(chǎn)生計(jì)量誤差。因干飽和蒸汽仍屬于蒸汽范疇，且測(cè)量過(guò)熱蒸汽一般選用溫度壓力雙補(bǔ)償方式，同時(shí)適用于過(guò)熱蒸汽和干飽和蒸汽的密度補(bǔ)償。如進(jìn)入過(guò)飽和狀態(tài)（即濕飽和狀態(tài)），濕度會(huì)以水滴、水霧的狀態(tài)存在，勢(shì)必影響介質(zhì)的密度。但蒸汽的密度補(bǔ)償算法僅適用于干蒸汽的計(jì)量，因此濕度越大（干度越小），誤差越大。一般情況下，干度≥95%時(shí)，誤差較小；干度＜95%時(shí)，誤差過(guò)大。
解決方法：
①減短輸送管道距離；②做好管道的保溫；③當(dāng)輸送管道過(guò)長(zhǎng)時(shí)，將儀表安裝管道抬高，或增加排液裝置。
（2）飽和蒸汽變?yōu)檫^(guò)熱蒸汽[4]
理想的飽和蒸汽狀態(tài)是溫度、壓力、密度呈一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，知道其中一個(gè)參數(shù)，即可計(jì)算出另外兩個(gè)，因此測(cè)量飽和蒸汽一般采用單補(bǔ)償方式，即單溫度補(bǔ)償，或單壓力補(bǔ)償。但當(dāng)飽和蒸汽經(jīng)過(guò)加壓閥產(chǎn)生大幅降壓時(shí)，可能由飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變成過(guò)熱蒸汽。此時(shí)若采用單溫度補(bǔ)償計(jì)算的密度誤差較大，采用單壓力補(bǔ)償計(jì)算的密度誤差相對(duì)較��；如果能選用溫壓補(bǔ)償方式，則不會(huì)產(chǎn)生誤差。
蒸汽減壓和流量測(cè)量示意圖如圖6所示�；S鍋爐出口的飽和蒸汽（1MPa，184.1℃），經(jīng)過(guò)減壓閥后轉(zhuǎn)變?yōu)檫^(guò)熱蒸汽狀態(tài)（0.42MPa，162.4℃，密度2.7048kg/m3），不同補(bǔ)償方式計(jì)算的密度對(duì)比如表2所示，溫度補(bǔ)償誤差高達(dá)27.61%，而壓力補(bǔ)償誤差僅在2.60%。
解決方法：①流量計(jì)安裝在減壓裝置上游；②若安裝在減壓裝置下游，盡量采用溫壓雙補(bǔ)償方式，或單壓力補(bǔ)償方式。
2）選擇具有內(nèi)置高精度標(biāo)準(zhǔn)算法的渦街流量計(jì)
軟件算法會(huì)對(duì)渦街流量計(jì)計(jì)量的精度造成較大影響。如蒸汽密度、氣體壓縮系數(shù)，都是影響計(jì)算精度的關(guān)鍵參數(shù)。
蒸汽密度的計(jì)算方法有查表法和公式法兩種，兩種算法中公式法相對(duì)精度高，并且可以對(duì)蒸汽飽和及過(guò)熱區(qū)域進(jìn)行判斷；查表法覆蓋區(qū)域有限，對(duì)于蒸汽飽和及過(guò)熱區(qū)域沒(méi)有準(zhǔn)確的界限。氣體的壓縮系數(shù)也是隨工況條件而變化的，如果默認(rèn)按1計(jì)算，則計(jì)算結(jié)果會(huì)存在一定偏差。因此，測(cè)氣體，尤其是測(cè)天然氣時(shí)，應(yīng)選用帶有壓縮系數(shù)補(bǔ)償功能的渦街流量計(jì)。天然氣壓縮系數(shù)曲線如圖7所示。
5結(jié)語(yǔ)
渦街流量計(jì)是目前非常適合貿(mào)易計(jì)量的
流量計(jì)之一，因?yàn)橥ㄟ^(guò)渦街輸出的漩渦頻率的穩(wěn)定性能夠直觀地判斷出流量計(jì)工作是否異常，且壓損小、安裝方便，長(zhǎng)期使用中渦街流量計(jì)產(chǎn)生的表體結(jié)構(gòu)偏差對(duì)儀表系數(shù)的影響很小，因此可以長(zhǎng)期作為計(jì)量?jī)x表使用。
