超聲式渦街在計(jì)量領(lǐng)域中技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和選型分析

蒲金龍　胡艷艷

摘 要

本文闡述了超聲式渦街在計(jì)量領(lǐng)域中技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和選型，以便和同行交流與切磋。

【關(guān)鍵詞】超聲式渦街 計(jì)量領(lǐng)域 技術(shù)應(yīng)用

隨著國(guó)家工業(yè)化和經(jīng)濟(jì)的深入發(fā)展和大力推進(jìn)，以及能源計(jì)量領(lǐng)域的深入和持續(xù)開展；自21世紀(jì)以來(lái)，各種新型的計(jì)量?jī)x表被國(guó)內(nèi)公司從國(guó)外引入和消化，其中不乏一些在原有傳統(tǒng)計(jì)量?jī)x表領(lǐng)域有突破性的產(chǎn)品，作為生產(chǎn)過(guò)程控制和工藝控制的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，以及節(jié)能降耗等能源方面的計(jì)量需求，流量?jī)x表正在起著無(wú)可替代的關(guān)鍵作用，而且正在發(fā)揮更大作用的歷史角色。本文，從突破傳統(tǒng)計(jì)量能力的角度重點(diǎn)闡述一款新型的液體流量計(jì)量器具—--超聲式渦街流量計(jì)。

1 超聲式渦街產(chǎn)品行業(yè)狀況

超聲式渦街最早是由天津大學(xué)在20實(shí)際90年代的論文集中提及的一種高精度的流量計(jì)。但是國(guó)內(nèi)一直鮮有產(chǎn)品銷售，市場(chǎng)推廣和認(rèn)可度很低。只有少數(shù)幾家如俄羅斯米特蘭和美國(guó)的一家生產(chǎn)氣體超聲渦街的代理產(chǎn)品在銷售。而且產(chǎn)品的真實(shí)性能有待于考證。

目前，該產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，但生產(chǎn)廠家較少。2007年4月18日，石家莊奧森自動(dòng)化儀表有限公司承擔(dān)的國(guó)際科技合作重點(diǎn)項(xiàng)目“帶HART協(xié)議的智能型超聲渦街流量計(jì)（中俄）”通過(guò)了國(guó)家科技部的驗(yàn)收。推進(jìn)了該型產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用的步伐。

該產(chǎn)品在如下幾個(gè)方面有著比較突出的使用特點(diǎn)：

（1）優(yōu)越的小流量測(cè)量能力，下限流速可達(dá)0.05m/s，量程可達(dá)1：100。不用于應(yīng)力式渦街產(chǎn)品，該產(chǎn)品是通過(guò)超聲波檢測(cè)漩渦分離的個(gè)數(shù)，使得小流量的測(cè)量能力得到了極大強(qiáng)化。這種獨(dú)特的檢測(cè)手段使得管路振動(dòng)、工作溫度、壓力變化對(duì)計(jì)量精度不會(huì)產(chǎn)生影響，從而充分滿足液體計(jì)量中的低流速且流量變化大的特點(diǎn)；

（2）智能修正：產(chǎn)品中內(nèi)置的溫度傳感器，對(duì)溫度變化大的熱網(wǎng)流量進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償和修正流體的雷諾數(shù)；結(jié)合微電子新型濾波技術(shù)對(duì)渦街振蕩周期和分散度進(jìn)行智能化運(yùn)算，從而切實(shí)保障了測(cè)量的準(zhǔn)確性；

（3）耐溫性能：耐溫范圍0-150度，較大范圍的涵蓋了能源、熱媒介質(zhì)領(lǐng)域的高熱溫度場(chǎng)合；

（4）結(jié)構(gòu)創(chuàng)新：獨(dú)特的提速噴嘴與測(cè)量本體一體化設(shè)計(jì)，不同于普通的變徑，它起到了改善流體分布和提速的雙重作用且方便了現(xiàn)場(chǎng)安裝；其中，提速噴嘴特殊的斷面幾何形狀，最大限度減小流體的阻力損失，改變流體的流速分布，提高測(cè)量的穩(wěn)定性，減小前后直管段的安裝長(zhǎng)度，一般情況前5D，后2D；

（5）維修便捷：新型變壓器隔離型實(shí)現(xiàn)了在線可拆卸超聲發(fā)送器和接收器；

（6）總線功能：具備HART總線協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)校、調(diào)試功能。

2 超聲式渦街工作原理：

超聲渦街轉(zhuǎn)換器的基本原理是基于“卡門渦街”原理，在流通體液流橫截面中插入一個(gè)梯形棱柱體，流體通過(guò)梯形棱柱體時(shí)，在柱體兩側(cè)交替產(chǎn)生旋渦，旋渦不斷產(chǎn)生和分離，便在柱體下游形成兩列旋渦列，即“渦街”，理論分析與實(shí)驗(yàn)已證明，旋渦形成的頻率與流體的流速成正比，與梯形棱柱體迎流面寬度成反比，如下公式：

f=St×（V/d）

f——旋渦形成的頻率；

v——流體平均流速；

d——發(fā)生體（梯形棱柱）迎流面寬度；

St——斯特勞哈爾系數(shù)。是一個(gè)取決于柱體斷面形狀而與流體的性質(zhì)和流速的大小（在一定的雷諾數(shù)范圍）無(wú)關(guān)的無(wú)量鋼常數(shù)。

旋渦交替分離，通過(guò)裝在流通體壁兩側(cè)超聲檢測(cè)器件的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)旋渦頻率的轉(zhuǎn)化，從而輸出與旋渦頻率相同的電壓脈沖信號(hào)。

電路處理部分由電流發(fā)生器、相位檢測(cè)器、微處理器、濾波器、D/A轉(zhuǎn)換電路、脈沖輸出隔離電路組成，

微處理器對(duì)轉(zhuǎn)換器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行模擬處理后輸出給相位檢測(cè)器，相位檢測(cè)器將此信號(hào)與1MHz方波信號(hào)源進(jìn)行相位比較，并根據(jù)相位差輸出相應(yīng)的頻率信號(hào)，經(jīng)濾波器濾除干擾信號(hào)后輸出給微處理器。根據(jù)所設(shè)定的口徑及測(cè)量溫度，微處理器計(jì)算得出準(zhǔn)確的瞬時(shí)流量、累計(jì)流量等數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的D/A輸出值和脈沖輸出值，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)化電路和脈沖隔離電路分別輸出4～20mA模擬電流信號(hào)和4～20mA電流脈沖信號(hào)。

3 超聲式渦街存在的問(wèn)題分析和局限性

（1）該類型流量計(jì)只能用來(lái)測(cè)量相對(duì)純凈的液體；對(duì)于氣體和蒸汽不能適用；通過(guò)實(shí)際測(cè)試，美國(guó)的某款氣體超聲渦街流量計(jì)實(shí)際的計(jì)量范圍和下限并不出色；

（2）低流量國(guó)內(nèi)檢定難度大，因?yàn)閲?guó)內(nèi)大多檢定裝置采用標(biāo)準(zhǔn)表法，檢定時(shí)需要在恒壓穩(wěn)流的情況下進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)表對(duì)比，在標(biāo)準(zhǔn)表和液體源方面通常都不具備檢定條件。

4 超聲式渦街和其它儀表的應(yīng)用優(yōu)劣簡(jiǎn)單分析和對(duì)比

國(guó)內(nèi)用量較多的熱水計(jì)量?jī)x表有如下三種：

（1）超聲波流量/熱量計(jì)；

（2）電磁流量/熱量計(jì)；

（3）超聲渦街流量/熱量計(jì)。

針對(duì)主要的熱網(wǎng)關(guān)聯(lián)的參數(shù)和工況條件，幾種計(jì)量?jī)x表的特點(diǎn)如下：

（1）上、下限測(cè)量能力：電磁滿足工業(yè)流體計(jì)量，滿足高精度計(jì)量一般在1m/s以上；目前各廠家參數(shù)和應(yīng)用一般都要求在0.2m/s以上；上限理論上不受影響；采用時(shí)差法測(cè)量超聲波流量計(jì)，一般標(biāo)稱下限也是0.2m/s以上，上限標(biāo)稱12m/s；超聲渦街標(biāo)稱的下限流速是0.05m/s，上限經(jīng)檢測(cè)最高可到7m/s；

（2）耐溫和溫度影響：三種儀表經(jīng)過(guò)處理都可以耐高溫到120度到150度，滿足熱網(wǎng)條件；至于溫度對(duì)于流量雷諾數(shù)的影響，只有超聲渦街內(nèi)置了溫度芯片對(duì)不同溫度下的雷諾數(shù)進(jìn)行了在線修正；

（3）直管段要求：電磁和超聲渦街的直管段要求都較低，前5D后2D；

（4）其它因素：供熱管網(wǎng)中的氣體影響對(duì)各種儀表都有所影響，應(yīng)盡量避免；在儀表前后按照排氣閥是較常用的做法；電導(dǎo)率對(duì)電磁流量計(jì)有所影響，原則上講如果管網(wǎng)中軟化水不建議使用電磁流量計(jì)；時(shí)差法超聲波流量計(jì)，使用口徑越大優(yōu)勢(shì)越大，精度相對(duì)會(huì)更高；超聲渦街的口徑目前受一定限制，最大口徑只能做到DN400。

通過(guò)上述比較，超聲式渦街具備一些獨(dú)特的其它儀表所不具備的優(yōu)點(diǎn)。尤其國(guó)產(chǎn)化以后，使用成本進(jìn)一步降低，隨著供熱工況條件的進(jìn)一步優(yōu)化以及吸收現(xiàn)場(chǎng)更多的數(shù)據(jù)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，掌握核心技術(shù)的廠家勢(shì)必會(huì)將該產(chǎn)品從應(yīng)用層面推到更高的一個(gè)高度。

參考文獻(xiàn)

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[2]梁國(guó)偉，蔡武昌主編.流量測(cè)量技術(shù)及儀表[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002（05）.

作者單位

石家莊奧森自動(dòng)化儀表有限公司 河北省石家莊市 050000endprint