多參數測量的蒸汽渦街流量計的設計

王國武，趙 靜，張涵文

（合肥精大儀表股份有限公司，合肥 230088）

蒸汽是一種比較特殊的能源介質，隨著工況溫度和壓力的變化，過熱蒸汽經常會轉變成為飽和蒸汽，并且溫度壓力不同蒸汽密度也不同，現有蒸汽計量儀表常用的是以孔板為代表的差壓式流量計[1]或普通渦街流量計等，由于它們僅測量體積流量，測量不了溫度和壓力，肯定會存在最終測不準的問題。并且常用的差壓式流量計壓損很大[1-3]，是渦街的數倍以上，產生的能源消耗浪費很大，并且差壓式流量計計量系統零部件數量較多、安裝復雜、維護費用高；普通的渦街流量計也僅能測量體積流量，不能測量溫度、壓力和密度，且耐高溫性能差。目前，蒸汽質量流量測量基本上仍采用推導法（間接法）質量積算法，在推導式質量計量中，關鍵環節是蒸汽密度的求取，蒸汽工況變化后，由蒸汽溫度壓力求取其密度的關系式亦發生變化。多參數[4]測量的蒸汽渦街流量計的研制為蒸汽流量的準確測量提供了新的方法。

1 流量計的結構和測量原理

多參數測量的蒸汽渦街流量計的結構設計如圖1所示，它是由測量管表體、渦街流量傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、積算顯示儀和測量電路組成的結構一體化的測量系統。渦街流量傳感器安裝在旋渦發生體后，基于卡門渦街原理[5]感受被測流體的渦街旋渦升力，傳感器輸出的信號頻率值正比于流體流量，通過測出頻率計算出被測的體積流量；溫度傳感器安裝在流量傳感器下游，測出蒸汽的工況溫度；壓力傳感器測量旋渦發生體后的蒸汽壓力，等效于流量傳感器測量點處的工況壓力，它的引壓孔位于旋渦發生體側面靠后方與流量傳感器安裝點相垂直的位置，引壓彎管中充有蒸汽冷凝導壓液，可以防止高溫氣體直接與壓力傳感器接觸。流量傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器的3路電信號經由穿過支撐筒柱內的各自信號導線上傳到流量積算儀中進行信號處理和轉換，再由積算顯示儀計算出工況體積流量值、工況壓力值和工況溫度值。已知飽和或過熱蒸汽的密度是其工況溫度和壓力的二元變量特定函數，該蒸汽密度值和相關計算公式存儲在流量積算儀的存儲器內，在測量到實際溫度和壓力后通過自動調用或查詢存儲數據庫讀取蒸汽密度，再與之前測量出的工況體積量乘積就可精確算出蒸汽質量流量。

圖1 流量計整機結構框圖Fig.1 Structure diagram of flow meter

2 設計

2.1 一體化整機結構設計

1）一體化的流量計結構主體為兩端焊接標準法蘭結構的測量管表體，腔內裝一個三角柱狀形截面的旋渦發生體，測量管表體長度根據口徑大小和安裝要求設計成系列化標準長度，使得每一種流量計滿足于不同壓力、不同口徑的管道連接并具有標準化結構和尺寸，該表體結構標準化高、加工成本低。

2）測量管表體腔內上游焊接有三角柱形截面的旋渦發生體[6]，旋渦發生體與測量管表體的材質都采用奧氏體不銹鋼制成，具有良好的耐腐、耐高溫特性；旋渦發生體前段的直管段長度約為表體總長的1/3；三角柱形的發生體的大端寬度尺寸為表體內實際直徑的0.27～0.28倍；這種結構和材料設計能確保流量計在測量高溫蒸汽時仍具有穩定的結構尺寸從而實現穩定的K系數，同時具有良好的線性度和最小的壓力損失等多種特性。

3）如圖1所示，流量傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器及其組件按順序依次安裝在表體上，即溫度和壓力傳感器都安裝在旋渦發生體的下游，不僅實現了安裝結構緊湊，而且安裝位置與國家標準或國際標準的規范要求相一致。該位置設計合理保證了溫度和壓力測量值更準確，使得經過壓力和溫度補償積算后的儀表線性度更高，能實現對蒸汽質量的高精度計量要求。

4）積算顯示儀通過一個加長型的支撐筒柱遠離本體安裝，能避免本體的高溫影響，滿足蒸汽計量的高溫要求；必要時，積算顯示儀還可整體與表體分離型安裝，通過特制電纜相連接。

5）壓力傳感器靠近積算顯示儀安裝在支撐筒的上端位置，以遠離可能的高溫表體，僅通過帶有回形管段的引壓管導壓測量到已降溫的蒸汽壓力值，提高了壓力測量系統的可靠性，并延長壽命。

綜述以上結構設計，實現的一體化結構即具有緊湊簡潔的標準化結構，又具有適于高溫蒸汽計量的耐溫結構，總體提高了產品的可靠性和準確性。

2.2 渦街流量傳感器的設計

渦街流量傳感器是渦街流量計的最核心部件，它的性能直接決定了渦街流量計的總體性能，用于蒸汽計量的場合要求更高；一是溫度高，最高要能耐到400℃；二是流量大，工業蒸汽計量的管道流速一般范圍為10～70 m/s[7]，三是要耐沖擊，蒸汽的密度大，一般為常溫空氣的數倍或10倍，密度大的介質對高溫下的傳感器的沖擊力破壞也大。以上3點就是要求渦街流量傳感器在結構、材料和性能上要有合理的設計和要求以滿足大流量的高溫蒸汽計量。為此，本研究采用了壓電傳感器與旋渦發生體（三角柱）分離型的結構方案，研制了一種小尺寸懸臂梁[8]結構的壓電式通用渦街流量傳感器[9]（簡稱壓電傳感器），壓電傳感器結構示意圖如圖2所示，由安裝法蘭盤、探頭扁尾、壓電元件、金屬鎧裝導線、密封罩、接線端子等組成。壓電傳感器通過中部的安裝法蘭盤與流量計殼體固定，下部的懸臂梁置于旋渦發生體內部或后面的孔洞中，壓電傳感器的探頭扁尾兩側獲取旋渦升力作用，并傳感出相應的渦街流量信號。在懸臂梁內部，采用了居里溫度高達1200℃鈮酸鋰[10]壓電元件機械封裝在探頭內空腔中，空余空腔則無其它填充物。壓電元件通過剛性結構的鎧裝導線將信號輸出到外部的接線端子上，再通過接線端子將信號輸出到外部信號處理單元進行處理。當管道流體因旋渦發生體產生渦街后，伴隨產生的交變升力作用在懸臂梁下部的探頭扁尾上，懸臂梁產生變形并迫使內部的壓電元件也同步變形，從而產生出與交變升力對應的電荷，通過后續的一系列信號處理電路，最終獲得流量信息。

圖2 壓電式通用渦街流量傳感器結構示意圖Fig.2 Structure diagram of piezoelectric vortex flow sensor

傳感器的各零部件外表材料全部選用奧氏體不銹鋼，傳感器的外部封裝結構全部采用氬弧焊接密封，壓電元件采用鈮酸鋰壓電晶體等設計，根本上保證了渦街傳感器能耐400℃高溫蒸汽計量；壓電傳感器探頭扁尾長度L和外徑d設計得較小，小尺寸懸臂梁的結構設計即保證了這種傳感器適用于大小各種口徑流量計的配套安裝，也具有很高的抗沖擊性能，不會被大流量的蒸汽沖壞；另外，該傳感器還具有常溫1000 MΩ以上的絕緣阻抗和良好的信噪比，使得流量計計量蒸汽時既有高可靠性和長壽命，還具有15∶1以上的寬量程性能。

2.3 溫度傳感器的設計

普通的IC溫度傳感器測溫范圍一般只限于-50℃～+125℃，本方案中選擇高溫薄膜鉑電阻Pt100或Pt1000作為溫度傳感器，由于其可耐溫度范圍更高：-200℃～+600℃，解決了蒸汽計量耐高溫問題；并且由于其微型封裝，更有利于結構上與流量計實現一體化，一體化設計后引線也很短，引線電阻的影響忽略不計，所以可以采用兩線制接入方式，這樣的結構簡單，安裝也方便；其次，薄膜式鉑電阻信號處理電路簡單，僅需通過簡單的模數轉換就可接入積算顯示儀內的單片機中；而且其精度高、可靠性高但價格卻十分便宜。總體上，采用高溫薄膜式鉑電阻具有很高的性價比，適用于工業儀表量產配套。

2.4 壓力傳感器的設計

壓力傳感器設計為氬弧焊接封裝結構的高穩態的壓阻式壓力傳感器，采用標準的四線制電阻橋式接線方法與積算儀相連接；整體安裝以組件結構方式遠離高溫管道安裝在積算顯示儀的前側下方，如圖1所示，壓力傳感器是通過引壓彎管將被測流體引入后測量壓力值。該壓力傳感器精度高，耐溫穩定性好，密封可靠，安裝結構合理，通用性和標準化程度高，也易于檢修維護，性價比高。

2.5 積算顯示儀的設計

本積算顯示儀硬件系統圖如圖3所示，主體采用美國德州儀器（TI）公司的MSP430F149單片機[11]作為核心處理器，該型單片機是一款16位的單片機，供電電壓為1.8 V～3.6 V，采用了精簡指令集（RISC）結構，運算速度快，片上資源豐富，便于功能擴展，在其系統中共有1種工作模式（AM）和5種低功耗模式（LPM0-LPM4），工作模式下工作電流只有200 μA，RAM 數據保持模式工作電流只有 0.1 μA，非常適用于各種需要電池供電的低功耗設計的工業計量儀表設備中。基于該型單片機卓越的超低功耗特性，以及實際的低功耗應用需求，是將其作為本系統的主控微處理器的主要目的。該單片機滿足了多傳感器信號采集和數據處理功能以及多種信號輸出及通信功能所需的功耗和硬件資源要求。

圖3 積算顯示儀硬件系統圖Fig.3 Hardware schematic diagram of Integrating display instrument

系統采用外部24 VDC和內置3.6 V鋰亞硫電池雙電源供電方式，雙電源的自動切換采用電源管理繼電器來控制，當系統與外部通信或對外輸出脈沖信號或電流信號時，系統電能取自外供電24 VDC端口，而當系統脫離外部電源單獨工作時，系統電能則取自內置鋰亞硫電池，這時所有通信和信號輸出端口全部關閉，進入低功耗工作狀態，多傳感器測量系統及單片機內部積算、顯示和存儲單元仍然繼續工作。依據實際測量需要和精度要求，溫度和壓力傳感器測量電路模塊采用間斷采樣工作模式，可進一步降低整個積算顯示儀系統的功耗。

這種低功耗、通信功能和雙電源設計實現了蒸汽流量計可以應用在多種場合的計量需求，既可用于有外供電的場合、也可用于無外供電的場合，即使在外供電意外停電時，流量計仍然正常工作。

2.6 防護性能和防爆性能設計

為提高通用現場儀表電氣安全性能及適應測量蒸汽的高溫高濕特殊環境等要求，流量計采用了高標準的防護等級和防爆等級設計。即整體結構采用主要部件模塊化的設計，各部件相對獨立裝配，部件相互間連接結構方便，連接處密封可靠；外露部分的材料主要采用不銹鋼材質，防潮防銹；積算顯示儀的電氣外殼采用隔爆結構設計；流量計整機防護等級為IP65，防爆隔爆等級為ExdⅡCT5，適用于各種要求高的防護防爆環境下使用。

3 測試與應用

抽取試制的一臺編號為B11426的DN200口徑樣機檢定，檢定裝置為精大儀表股份有限公司0.5級精度的標準表法氣體流量計標準裝置，檢定依據標準為JJG 1029-2007《渦街流量計檢定規程》，采用三線制脈沖信號輸出，檢定流量范圍為（450～7000）m3/h，檢定結果為1.0級合格，實測數據如表1所示；該樣機整機精度控制在1級以內時，實測平均功耗低于400 μA，也滿足電池供電的設計要求。

表1 實測數據Tab.1 Table of experimental test data

目前該產品已由合肥精大儀表股份有限公司研制定型量產，規格覆蓋從DN15到DN300所有口徑，并批量投放市場，主要用在石油石化等行業的高溫蒸汽計量；用戶普遍認同該產品性能、質量和新功能，以致銷量逐年上升。

4 結語

自動化儀表（包括計量儀表）的高性能、節能、智能化和信息化是現場儀表的發展方向，渦街流量計在蒸汽計量領域的應用也越來越廣泛，研制具有更適合蒸汽計量的專用蒸汽渦街流量計意義更為重要。多參數蒸汽渦街流量計具有結構簡單、可靠性高、耐高溫性好、性能穩定、壓力損失小、節能能耗、量程范圍大、計量精度高等特點，并且多傳感器一體化設計，既解決了蒸汽測量的溫壓補償和修正問題，又實現了蒸汽的多種工況參數實時測量及信息傳輸；該產品通過軟件修改設置還可用于其他氣體或液體介質的多參數精確測量。它的優點將被越來越多人所認可，同時也將在工業計量的高精度、智能化和信息化發展要求中得到更廣泛的應用；目前該產品技術“多參數測量的蒸汽渦街流量計”已獲國家專利授權[12]。

[1]賈云飛，張濤，張清鵬.渦街流量計與孔板流量計壓力損失的比較研究[J].計量學報，2008，29（2）：134-137.

[2]張教秋，叢茂滋，朱益飛.孔板流量計與渦街流量計測量蒸汽流量的誤差分析[J].工業計量，2009（增 1）：13-17.

[3]葉志剛.差壓法蒸汽計量存在的問題分析及對策[J].石油化工自動化，2014，50（1）：61-63.

[4]蔡武昌.流量檢測技術和傳感器設計若干趨勢[P].自動化儀表，2007，28（9）：33-35.

[5]孔瓏.工程流體力學[M].北京：中國電力出版社，2007.

[6]姜仲霞，姜川濤，劉桂芳.渦街流量計[M].北京：中國石化出版社，2006.

[7]HG/T 20570.6-95工藝系統工程設計技術規定管徑選擇[S].北京：化工部工程建設標準編輯中心，1995.

[8]劉鴻文.材料力學（Ⅰ）[M].北京：高等教育出版社，2004.

[9]王國武，甘曉梅，付蘇濤，等.一種通用渦街流量傳感器[P].中國，ZL201320496250.X，2013-08-14.

[10]文海，王曉慧，趙巍，等.高溫壓電陶瓷研究進展[J].硅酸鹽學報，2006（11）：1367-1373.

[11]沈建華，楊艷琴.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[12]王國武，甘曉梅.多參數測量的蒸汽渦街流量計[P].中國，ZL201420062270.0，2014-02-11.