大口徑可變測量范圍節(jié)流穩(wěn)流式渦街流量計(jì)
李吉男 常金旺 大連中隆儀表有限公司 大連 116023
一、背景技術(shù)
渦街流量計(jì)是根據(jù)“卡門渦街”原理研制成的一種流體振蕩式流量測量儀表。在流動的流體中插入一個(gè)斷面為非流線型的柱狀物體時(shí)，從柱狀物體兩側(cè)會產(chǎn)生兩列交替產(chǎn)生的漩渦（參看圖1）。
圖1 渦街信號發(fā)生示意圖漩渦分離的頻率與流速成正比，與柱體的寬度成反比，可用下式表示：
.jpg)
（1） 式中 f–漩渦分離的頻率
St–系數(shù)（斯特勞哈爾數(shù)）
v–流體流速
d–柱體迎流面寬度
由上式可見，通過測量漩渦頻率便可測出流體流速和瞬時(shí)流量。斯特勞哈爾數(shù)（St）是可通過試驗(yàn)確定的無因次數(shù)，圖2中表示出了斯特勞哈爾數(shù)（St）與雷諾數(shù)（Re）的關(guān)系。
圖2斯特勞哈爾數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系曲線曲線的平直部分對應(yīng)渦街流量計(jì)的測量流量的范圍。只要檢測出頻率f即可求得管內(nèi)流體的流速，由流速可求出體積流量。一段時(shí)間內(nèi)輸出的脈沖數(shù)與流過流體的體積量之比，稱為儀表的系數(shù)K
（2） 式中： K–儀表系數(shù)（脈沖/m3）
N–脈沖個(gè)數(shù)
Q–體積總量（m3）
渦街流量計(jì)可用來測量流體的瞬時(shí)流量（流率），也可以用來測量累積流量（總量）。當(dāng)用來測量瞬時(shí)流量時(shí)其測量值可用下式表示：
（3） 式中 Q 體積流量值 m3/h
f 渦街流量計(jì)輸出信號頻率 Hz
K 渦街流量計(jì)流量系數(shù) P/m3
當(dāng)用來測量累積流量（總量）時(shí)其測量值可用下式表示：
（4） 式中 Q總累積流量 m3
N 累積總量對應(yīng)的脈沖個(gè)數(shù)
K 渦街流量計(jì)流量系數(shù) P/m3
由于這種流量計(jì)具有適用流體種類多（適用氣體、液體、蒸汽等），結(jié)構(gòu)簡單、無機(jī)械可動部件、可靠性好，**度較高，范圍度寬，壓損小，輸出與流量成正比的脈沖信號（流量測量確定性好），信號無零點(diǎn)漂移，而且在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)輸出信號不受介質(zhì)物性參數(shù)（密度、粘度等）的影響等優(yōu)點(diǎn)，因此這種流量計(jì)越來越受到用戶的歡迎，使用領(lǐng)域也在不斷地?cái)U(kuò)大。
與其他流量測量儀表一樣，渦街流量計(jì)的使用很重要的一點(diǎn)就是根據(jù)管道實(shí)際流量范圍正確選用相應(yīng)測量范圍儀表，以實(shí)現(xiàn)流量的正常測量。由于工藝參數(shù)的不確定性（例如新裝置參數(shù)的不確定性、生產(chǎn)能力負(fù)荷的不確定性、以及對未來負(fù)荷估計(jì)的不確定性等等）有時(shí)這種選擇是很困難的（實(shí)踐中往往都是將儀表口徑選大）。不適合的選擇往往會帶來儀表運(yùn)行的不正常，使介質(zhì)流量的測量無法正常進(jìn)行。
正常情況下遇到這種情況一般就要重新選擇儀表規(guī)格（口徑），并重新進(jìn)行安裝以滿足測量要求。而這種更換儀表的工作實(shí)現(xiàn)起來有不少困難，因?yàn)橹匦掳惭b就要同時(shí)對儀表前后相當(dāng)長的管路進(jìn)行縮、擴(kuò)徑安裝處理。為此我們曾經(jīng)發(fā)明了一種實(shí)用新型**技術(shù)“節(jié)流穩(wěn)流式渦街流量計(jì)”（國家**號：ZL 02 2 42863.1），用來解決上述問題。但此**結(jié)構(gòu)主要適用于小口徑儀表。在大口徑儀表上實(shí)現(xiàn)比較困難（因?yàn)樾枰凶銐虻谋眢w長度）。
另外，渦街流量計(jì)的信號頻率一般來說正比于介質(zhì)流速，反比于渦街信號發(fā)生體的寬度。經(jīng)過大量試驗(yàn)，為了穩(wěn)定渦街信號分離，國際上一般采用的渦街信號發(fā)生體迎流面寬度一般為儀表口徑的20-30％。這樣，越是口徑大的儀表其渦街發(fā)生體的寬度越大，帶來了一個(gè)突出的問題，就是信號頻率比較低，流量系數(shù)比較小，儀表測量分辨率比較低（例如300mm口徑渦街流量計(jì)參考流量系數(shù)為45P/m^3，用于氣體流量測量時(shí)其參考信號頻率范圍為14-120Hz左右，若用于液體介質(zhì)流量測量其參考信號頻率只有1-12Hz左右）。因此一般認(rèn)為不適合制作和使用大口徑渦街流量計(jì)（國際上一般不制作300mm口徑以上的渦街流量計(jì)），使大口徑渦街流量計(jì)的使用受到限制。
二、大口徑可變測量范圍節(jié)流穩(wěn)流式渦街流量計(jì)
鑒于上述技術(shù)中存在的問題，我們設(shè)計(jì)制作了一種全新結(jié)構(gòu)的大口徑可變節(jié)流面積比的渦街流量計(jì)。其原理結(jié)構(gòu)見圖3。
渦街流量計(jì)測量腔表體內(nèi)部中心處置有迎流面為流線型結(jié)構(gòu)的圓柱型節(jié)流件，節(jié)流件與儀表內(nèi)腔形成環(huán)形流通腔。環(huán)形流通腔用隔板按對稱結(jié)構(gòu)隔開兩個(gè)或多個(gè)流通腔（隔板同時(shí)起整流、穩(wěn)流作用），在其中一個(gè)或多個(gè)流通腔內(nèi)放置渦街信號發(fā)生體及信號檢測器，測量流體的流速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)流體流量的測量。
圖3 大口徑節(jié)流式渦街流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖
由于幾個(gè)流通腔完全制作成對稱結(jié)構(gòu)，因此在流速充分發(fā)展的條件下（與其他速度式流量計(jì)一樣需要保證儀表前后必需的直管段長度）測量其中某一個(gè)流通腔的介質(zhì)流速就可以準(zhǔn)確測量管道的流體流速，進(jìn)而準(zhǔn)確測量管道介質(zhì)流量。在流速分布的均勻度不確定的條件下（例如流量計(jì)前直管段長度不足夠長，滿足不了要求），可以設(shè)置多點(diǎn)流速測量，并取其平均信號，進(jìn)而保證整個(gè)管路介質(zhì)流量的準(zhǔn)確測量。
由于流通腔制作成矩形結(jié)構(gòu)，介質(zhì)的流動狀態(tài)可近似認(rèn)為二維狀態(tài)（圓型結(jié)構(gòu)的流動狀態(tài)可示為三維狀態(tài)），信號分離效果好。因此可用相對較窄的渦街信號發(fā)生體就可以得到較穩(wěn)定的信號分離效果，當(dāng)然，信號頻率也有了明顯的增加。
這種結(jié)構(gòu)的渦街流量計(jì)與一般的渦街流量計(jì)相比有以下若干突出的特點(diǎn)：
（1）可以通過改變節(jié)流比來改變儀表適用量程。可以方便用戶選用、改用。甚至有可能實(shí)現(xiàn)按管徑選擇相應(yīng)的儀表。這對儀表的選擇、安裝、使用帶來極大的方便（不用進(jìn)行縮、擴(kuò)管處理），尤其對大口徑管路儀表的安裝帶來極大的方便，并可節(jié)省大量安裝費(fèi)用。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)渦街流量計(jì)的有效面積一般為64%左右，改變有效面積可以改變介質(zhì)局部流速，從而得到能正常分離和測得信號的效果。
（2）大口徑儀表的信號頻率增加，信號分辨率將有明顯的提高。設(shè)計(jì)的大口徑節(jié)流式渦街流量計(jì)200mm口徑是*小口徑。對200mm口徑渦街流量計(jì)而言在與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)渦街流量計(jì)具有相同的有效面積比（一般渦街流量計(jì)的有效面積比大約為64％）的條件下，信號分辨率將至少提高3倍，更大口徑的渦街流量計(jì)分辨率將會有更大的提高。這對大口徑渦街流量計(jì)信號分辨率的改善意義重大，也會對大口徑渦街流量計(jì)的推廣使用帶來根本性變革。因?yàn)闇u街流量計(jì)兩大缺點(diǎn)（怕振動、大口徑儀表信號分辨率低）之一得到了有效的解決，而振動影響對大口徑儀表來說并不突出了。
（3）流線型結(jié)構(gòu)的內(nèi)節(jié)流件結(jié)構(gòu)具有對流體的整流作用，同時(shí)通過雙傳感器或多傳感器測量的方法，可以解決管路內(nèi)流速分布不均勻的流體流量的準(zhǔn)確測量。這些措施的實(shí)現(xiàn)可以降低表前直管段的長度要求，對有些特殊場合的應(yīng)用意義重大。
（4）由于節(jié)流件采用了流線型結(jié)構(gòu)，因此在同樣的節(jié)流比的條件下，壓力損失要比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的小，具有節(jié)能意義。
（5）由于信號放大板的規(guī)格一致（不同規(guī)格口徑的渦街流量計(jì)的渦街發(fā)生體基本寬度是一樣的），對儀表的制作、調(diào)試以及使用、維護(hù)帶來了方便。
三、性能驗(yàn)證
新型結(jié)構(gòu)渦街流量計(jì)是否依然具備傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)渦街流量計(jì)的主要使用特點(diǎn)呢？如：渦街信號分離效果是否理想？儀表測量范圍度是否依然能達(dá)到1：10的范圍？儀表系數(shù)的變化規(guī)律如何？在儀表測量腔的某一點(diǎn)設(shè)置流速測量點(diǎn)是否能準(zhǔn)確代表整個(gè)測量腔的介質(zhì)流速？儀表的校驗(yàn)方法是否與原來相同？等等，這是我們關(guān)心的問題，也是我們需要通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的問題。
我們用200mm口徑渦街流量計(jì)進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，包括測量腔內(nèi)流速分布測量實(shí)驗(yàn)；不同介質(zhì)不同雷諾數(shù)狀態(tài)儀表系數(shù)變化實(shí)驗(yàn)（斯特勞哈爾數(shù)變化實(shí)驗(yàn)）；不同節(jié)流比系數(shù)變化實(shí)驗(yàn)（斯特勞哈爾數(shù)變化實(shí)驗(yàn)）；不同渦街發(fā)生體對信號測量的影響實(shí)驗(yàn)；渦街信號測量探頭*佳安裝位置實(shí)驗(yàn)等等。
實(shí)驗(yàn)基本證實(shí)了此結(jié)構(gòu)的合理性及靈活性，并得到以下實(shí)驗(yàn)結(jié)論：
（1）信號測量腔由圓形結(jié)構(gòu)變?yōu)榉叫徒Y(jié)構(gòu)，使流體狀態(tài)近似為二維狀態(tài)（圓型結(jié)構(gòu)的流動狀態(tài)可示為三維狀態(tài)），渦街信號分離效果好，信號質(zhì)量好。
（2）在1：10或更大范圍度范圍信號保持穩(wěn)定狀態(tài)，范圍度特性良好。
（3）在管道雷諾數(shù)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同的條件下，儀表測量特性基本相同。
（4）在管道直管段滿足要求的條件下，測量腔某一點(diǎn)的流速測量結(jié)果完全可以代表整個(gè)流通面積的流體流速，儀表的測量準(zhǔn)確度及重復(fù)性指標(biāo)未受到影響。
（5）在一定的節(jié)流件直徑與管道直徑比狀態(tài)下，有效流通面積比的變化，不引起斯特勞哈爾數(shù)的變化，這對大口徑流量計(jì)的校驗(yàn)及流量系數(shù)的確定意義重大。
（6）儀表校驗(yàn)方法可與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)流量計(jì)相同。
（7）儀表可測下限流量可做較方便的調(diào)整，可測下限流量調(diào)整到傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)下限可測流量的1/4-1/2狀態(tài)下，仍可得到穩(wěn)定的測量結(jié)果。不過此時(shí)管道雷諾數(shù)過低，斯特勞哈爾數(shù)有了較明顯的變化，因此要保證較高的測量準(zhǔn)確度，需要對測量信號進(jìn)行補(bǔ)償。
大口徑可變測量范圍節(jié)流穩(wěn)流式渦街流量計(jì)已經(jīng)投入試生產(chǎn)，并已在多個(gè)用戶單位使用，分別用來測量壓縮空氣、天然氣、蒸汽、水等介質(zhì)，使用效果良好。
大口徑可變測量范圍節(jié)流穩(wěn)流式渦街流量計(jì)已經(jīng)申請國家**，并已得到批準(zhǔn)，國家**號為ZL 200520107291.0。