大口徑可變測(cè)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(mén)渦街”原理研制成的一種流體振蕩式流量測(cè)量?jī)x表。在流動(dòng)的流體中插入一個(gè)斷面為非流線(xiàn)型的柱狀物體時(shí)，從柱狀物體兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生兩列交替產(chǎn)生的漩渦（參看圖1）。
圖1 渦街信號(hào)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：
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（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(jiàn)，通過(guò)測(cè)量漩渦頻率便可測(cè)出流體流速和瞬時(shí)流量。斯特勞哈爾數(shù)（St）是可通過(guò)試驗(yàn)確定的無(wú)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(xiàn)曲線(xiàn)的平直部分對(duì)應(yīng)渦街流量計(jì)的測(cè)量流量的范圍。只要檢測(cè)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(guò)流體的體積量之比，稱(chēng)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(lái)測(cè)量流體的瞬時(shí)流量（流率），也可以用來(lái)測(cè)量累積流量（總量）。當(dāng)用來(lái)測(cè)量瞬時(shí)流量時(shí)其測(cè)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(hào)頻率 Hz
K 渦街流量計(jì)流量系數(shù) P/m3
當(dāng)用來(lái)測(cè)量累積流量（總量）時(shí)其測(cè)量值可用下式表示：
（4） 式中 Q總累積流量 m3
N 累積總量對(duì)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(lèi)多（適用氣體、液體、蒸汽等），結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)機(jī)械可動(dòng)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(hào)（流量測(cè)量確定性好），信號(hào)無(wú)零點(diǎn)漂移，而且在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)輸出信號(hào)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(lái)越受到用戶(hù)的歡迎，使用領(lǐng)域也在不斷地?cái)U(kuò)大。
與其他流量測(cè)量?jī)x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(cè)量范圍儀表，以實(shí)現(xiàn)流量的正常測(cè)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(duì)未來(lái)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(huì)帶來(lái)儀表運(yùn)行的不正常，使介質(zhì)流量的測(cè)量無(wú)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(mǎn)足測(cè)量要求。而這種更換儀表的工作實(shí)現(xiàn)起來(lái)有不少困難，因?yàn)橹匦掳惭b就要同時(shí)對(duì)儀表前后相當(dāng)長(zhǎng)的管路進(jìn)行縮、擴(kuò)徑安裝處理。為此我們?cè)?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(guó)家**號(hào)：ZL 02 2 42863.1），用來(lái)解決上述問(wèn)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(zhǎng)度）。
另外，渦街流量計(jì)的信號(hào)頻率一般來(lái)說(shuō)正比于介質(zhì)流速，反比于渦街信號(hào)發(fā)生體的寬度。經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)，為了穩(wěn)定渦街信號(hào)分離，國(guó)際上一般采用的渦街信號(hào)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(lái)了一個(gè)突出的問(wèn)題，就是信號(hào)頻率比較低，流量系數(shù)比較小，儀表測(cè)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(cè)量時(shí)其參考信號(hào)頻率范圍為14-120Hz左右，若用于液體介質(zhì)流量測(cè)量其參考信號(hào)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(guó)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(cè)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(wèn)題，我們?cè)O(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(jiàn)圖3。
渦街流量計(jì)測(cè)量腔表體內(nèi)部中心處置有迎流面為流線(xiàn)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(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)隔開(kāi)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(hào)發(fā)生體及信號(hào)檢測(cè)器，測(cè)量流體的流速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)流體流量的測(cè)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(duì)稱(chēng)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(zhǎng)度）測(cè)量其中某一個(gè)流通腔的介質(zhì)流速就可以準(zhǔn)確測(cè)量管道的流體流速，進(jìn)而準(zhǔn)確測(cè)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(zhǎng)度不足夠長(zhǎng)，滿(mǎn)足不了要求），可以設(shè)置多點(diǎn)流速測(cè)量，并取其平均信號(hào)，進(jìn)而保證整個(gè)管路介質(zhì)流量的準(zhǔn)確測(cè)量。
由于流通腔制作成矩形結(jié)構(gòu)，介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)可近似認(rèn)為二維狀態(tài)（圓型結(jié)構(gòu)的流動(dòng)狀態(tài)可示為三維狀態(tài)），信號(hào)分離效果好。因此可用相對(duì)較窄的渦街信號(hào)發(fā)生體就可以得到較穩(wěn)定的信號(hào)分離效果，當(dāng)然，信號(hào)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(guò)改變節(jié)流比來(lái)改變儀表適用量程。可以方便用戶(hù)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(duì)儀表的選擇、安裝、使用帶來(lái)極大的方便（不用進(jìn)行縮、擴(kuò)管處理），尤其對(duì)大口徑管路儀表的安裝帶來(lái)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(cè)得信號(hào)的效果。
（2）大口徑儀表的信號(hào)頻率增加，信號(hào)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(duì)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(hào)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(huì)有更大的提高。這對(duì)大口徑渦街流量計(jì)信號(hào)分辨率的改善意義重大，也會(huì)對(duì)大口徑渦街流量計(jì)的推廣使用帶來(lái)根本性變革。因?yàn)闇u街流量計(jì)兩大缺點(diǎn)（怕振動(dòng)、大口徑儀表信號(hào)分辨率低）之一得到了有效的解決，而振動(dòng)影響對(duì)大口徑儀表來(lái)說(shuō)并不突出了。
（3）流線(xiàn)型結(jié)構(gòu)的內(nèi)節(jié)流件結(jié)構(gòu)具有對(duì)流體的整流作用，同時(shí)通過(guò)雙傳感器或多傳感器測(cè)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(cè)量。這些措施的實(shí)現(xiàn)可以降低表前直管段的長(zhǎng)度要求，對(duì)有些特殊場(chǎng)合的應(yīng)用意義重大。
（4）由于節(jié)流件采用了流線(xiàn)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(hào)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(duì)儀表的制作、調(diào)試以及使用、維護(hù)帶來(lái)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(hào)分離效果是否理想？?jī)x表測(cè)量范圍度是否依然能達(dá)到1：10的范圍？?jī)x表系數(shù)的變化規(guī)律如何？在儀表測(cè)量腔的某一點(diǎn)設(shè)置流速測(cè)量點(diǎn)是否能準(zhǔn)確代表整個(gè)測(cè)量腔的介質(zhì)流速？?jī)x表的校驗(yàn)方法是否與原來(lái)相同？等等，這是我們關(guān)心的問(wèn)題，也是我們需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的問(wèn)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(cè)量腔內(nèi)流速分布測(cè)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(duì)信號(hào)測(cè)量的影響實(shí)驗(yàn)；渦街信號(hào)測(cè)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(hào)測(cè)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(dòng)狀態(tài)可示為三維狀態(tài)），渦街信號(hào)分離效果好，信號(hào)質(zhì)量好。
（2）在1：10或更大范圍度范圍信號(hào)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(cè)量特性基本相同。
（4）在管道直管段滿(mǎn)足要求的條件下，測(cè)量腔某一點(diǎn)的流速測(cè)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(cè)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(duì)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(cè)下限流量可做較方便的調(diào)整，可測(cè)下限流量調(diào)整到傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)下限可測(cè)流量的1/4-1/2狀態(tài)下，仍可得到穩(wěn)定的測(cè)量結(jié)果。不過(guò)此時(shí)管道雷諾數(shù)過(guò)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(cè)量準(zhǔn)確度，需要對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償。
大口徑可變測(cè)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(hù)單位使用，分別用來(lái)測(cè)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(cè)量范圍節(jié)流穩(wěn)流式渦街流量計(jì)已經(jīng)申請(qǐng)國(guó)家**，并已得到批準(zhǔn)，國(guó)家**號(hào)為ZL 200520107291.0。