新型測量方法—橫向差壓渦街流量計

王鳳雨，李一平，金澤

（華電（北京）熱電有限公司，北京 100039）

0 引言

利用節流差壓原理制成的流量計有很多種，差壓流量計原理可靠、結構簡單、無運動部件、可靠性較高。但是,差壓流量計采用的是差壓的數值，用于差壓型流量計設計計算的流量方程比較復雜，儀表測量精度受被測流體物性影響較大。差壓流量計輸出的差壓模擬信號與流量不是線性關系，這種模擬信號不適于遠傳,且容易出現零漂和溫漂。這些都導致差壓型流量計的現場使用系統精度不高。同時,差壓型流量計的量程一般較窄。這些缺點使得差壓型流量計在某些測量精度要求較高的場合不能適用。

渦街流量計是一種新型的數字信號流量計。渦街流量計測量精度高，介質通用性好，輸出線性頻率信號且無溫漂和零漂，系統構成簡單，無運動部件，維護量很小，可靠性高，工作壽命長。這些優點是其它類型流量計不能同時兼有的。

橫向脈動差壓渦街流量計是在這兩種流量計的基礎上發展出來的。在這里，差壓傳感器不用于測量差壓的數值，而是用來測量差壓的脈動頻率。通常，渦街流量計的旋渦分離頻率可采用多種不同的方法進行檢測。曾經采用和正被采用的方法有：采用應變片或壓電晶體檢測旋渦交替分離引起的橫向交變升力；采用旋渦調制超聲信號的方法；采用旋渦交替分離引起的交變差壓推動金屬片振動，切割磁力線產生交變電動勢的方法；其中，壓電晶體檢測法是目前采用最多，最普遍的方法。

壓電晶體檢測法采用高居里點的壓電晶體或壓電陶瓷感受旋渦分離引起的交變橫向升力。壓電晶體不需與被測介質接觸，流量計的使用介質溫度、壓力可以較高；儀表具有較高的可靠性和使用壽命。但是，壓電晶體是一種力敏元件，容易受管道振動或聲波激勵而產生噪聲干擾信號，流量計的抗振動能力較低。采用壓電晶體檢測法的渦街流量計不適用于有強烈機械振動的場合。

橫向脈動差壓渦街流量計采用具有良好動態差壓測量特性的差壓傳感器，檢測橫向差壓的脈動頻率。差壓傳感器輸出的交變差壓信號經濾波、整形成為與流量成比例的頻率信號輸出。與壓電晶體檢測法的渦街流量計相比，差壓檢測式渦街流量計具有更好的抗機械振動的能力。而且，差壓傳感器系統置于流量計的流管之外，維修和更換差壓傳感器時不需要切斷管流。

目前，市場上還沒有可供現場使用的差壓檢測式渦街流量計產品。文獻上介紹的差壓檢測式渦街流量計采用兩側管壁取差壓的方法，即在旋渦發生體后兩側流管壁上分別設置感壓孔和導壓管，用差壓傳感器測量這兩點的差壓，通過差壓傳感器輸出的差壓脈動信號得到旋渦分離頻率，進而獲得體積流量值。這種兩側壁取壓方式的取壓點位置有多種方案，但都處于旋渦發生體后面的旋渦尾流部分。旋渦發生體的下游是流動噪聲較強的區域，因此，最終所采集的差壓信號中疊加有較強，較復雜的流動澡聲信號。這會加重信號處理電路的負擔。此外，這種取壓方式需要較長的引壓管線，導致交變差壓檢測系統的頻率特性變差，也不利于渦街流量計差壓傳感器及附件的結構布置。為了開發一種流動噪聲信號較低同時結構又緊湊的差壓檢測式渦街流量計，對旋渦發生體直接取差壓的差壓檢測式渦街流量計進行了實驗研究，并開發成功了旋渦發生體上直接取差壓的橫向脈沖差壓渦街流量計。

1 橫向脈動差壓渦街流量計原理

1.1 “橫向差壓”的概念

節流差壓型流量計通常是在節流件的上下游分別設置取壓孔，通過測量兩者的差壓值，計算得出流量，也就是說兩個取壓孔和流體流動方向是沿流動方向上下游的縱向排列,測量的是”縱向差壓”。而差壓檢測式渦街流量計的兩個取壓孔則設置在與流動方向垂直的同一平面上，它要檢測的是流體的橫向差壓的脈動頻率見圖1圖2。

圖1 縱向差壓[1]Fig.1 Longitudinal differentialpressure[1]

圖2 橫向脈動差壓[1]Fig.2 Horizontal differentialpressure fluctuation[1]

1.2 橫向脈動差壓的產生機理

當管道內的流體流經非流線型斷面的柱體時，雷諾數達到一定數值后，在柱體后部兩側會產生交替分離的旋渦，導致流體產生振蕩射流流動，即柱體兩側的流體流速交替增大或變小。柱體兩側由于流體的振蕩流動而產生脈動的橫向差壓。兩側差壓的正負方向與旋渦分離頻率同步交替變化。

圖3 振蕩流動的上半周期和下半周期的柱側流速變化[2]Fig.3 Oscillatory flow in the upper side of the second half of the cycle and cycle changes in flow velocity [2]

從流體流動機理上分析，旋渦從柱體的兩側交替形成和脫離的過程中,柱體后部的一股不斷改變方向的橫向流起了重要的作用,正是這股橫向流周期性地改變方向,維持了沿柱體繞流的規則振蕩現象。

圖4 交變橫流和交變差壓[2]Fig.4 AC cross flow and differential pressure[2]

1.3 差壓脈動頻率與流量的關系

研究表明，柱體繞流的規則振蕩的頻率取決于管內平均流速大小和柱體的幾何參數（斷面形狀和尺寸）。

當柱體斷面的幾何形狀一定時，旋渦分離頻率與柱側流速v和柱體迎流面寬度d有確定的比例關系：

f = St ×v / d

上式中，斯特勞哈爾數St是僅由柱體斷面幾何形狀確定的系數。實驗表明，在一定的Re數范圍內，St是一個常數。而d是定值，因此，脈動差壓的頻率，即流體振蕩的頻率f與管內平均流速v成正比。瞬時流量與流體振蕩頻率成確定的線性關系。測得橫向差壓脈動頻率即測得管內流量。

圖5 橫向差壓渦街流量計測量流程[3]Fig.5 Transverse differential pressure vortexflowmeters process[3]

2 橫向差壓型渦街流量計的主要結構

1）旋渦發生體；2）差壓傳感器；3）信號處理電路；4）表體；5）三閥組。

2.1 管壁取壓（DN50以下）

圖6 管壁取壓產品實例、取樣結構示意圖[3]Fig.6 Wall tappings, sampling the product instance structure diagram[3]

2.2 柱體取壓（DN80-DN300）

圖7 柱體取壓產品實例、取樣結構示意圖[3]Fig.7 Cylinder pressure, sampling the product instance structure diagram[3]

2.3 柱側取壓

圖8 柱側取壓產品實例、取樣結構示意圖Fig.8 Cylinder pressure, sampling the product instance structure diagram

3 橫向差壓式渦街流量計主要特點

3.1 原始信號為脈沖數字信號

1）脈沖數字信號，壓力元件無“零點漂移”或“溫度漂移”。（它是測量變化量，而不是測量幅度)。

2）傳輸距離遠，信號幅度的衰減并不影響流量測量精度。

3）儀表的準確度為示值準確度。

3.2 壓力傳感器數字信號與流體為線性關系

數字脈沖信號與流量的線性關系可獲得較高的測量精度。

3.3 差壓傳感器原始信號信噪比高

傳感器原始信號信噪比好，可大幅度降低流量計的測量下限。

3.4 可用于測量組分變化的介質

在測量體積流量時，流量計的儀表系數與介質密度幾乎無關。

因此在測量變組分的氣體、液體時，與差壓流量計相比，準確度較高。

3.5 結構簡單 安裝方便

流量計在管道上直接安裝，無需要另裝引壓管，差壓變送器等。

3.6 抗振能力強

受管道振動及聲波影響小，抗振能力優于傳統的應力檢測式渦街流量計。

3.7 測量下限低，量程比寬。

DN80 樣機在中國航空工業計量站的20000升鐘罩檢定系統上進行了精度測試，得到圖9。

圖9 檢定曲線Fig.9 Calibration curve

在不同量程下，精度指標分別為：

流量區間30-802 m3/h ，線性誤差±1.1%，重復性誤差0.36%（范圍度1:26）。

流量區間50-802 m3/h ， 線性誤差±0.51%重復性誤差0.12%（范圍度1:16）。

流量區間70-694 m3/h ，線性誤差±0.3%，重復性誤差0.12%（范圍度1:10）。

從圖10～圖16可以看出：各測量流量點的信號質量較好。

圖10 流量 32.7 m3/h信號波形圖Fig.10 32.7 m3/h flow signal waveforms

圖11 流量 50.6 m3/h信號波形圖Fig.11 50.6 m3/h flow signal waveforms

圖12 流量 70.6 m3/h信號波形圖Fig.12 70.6 m3/h flow signal waveforms

圖13 流量 202.4 m3/h信號波形圖Fig.13 202.4 m3/h flow signal waveforms

圖14 流量 404.4 m3/h信號波形圖Fig.14 404.4 m3/h flow signal waveforms

圖15 流量 695.6 m3/h信號波形圖Fig.15 695.6 m3/h flow signal waveforms

圖16 流量 802.9 m3/h信號波形圖Fig.16 flow 802.9 m3/h signal waveforms

3.8 可以不斷流在線更換檢測元件

傳感器元件可實現在線更換，更換傳感器元件后，儀表系數不發生變化。

3.9 旋渦發聲體側面中心取壓不易堵塞

DN80以上口徑取壓空設置在旋渦發聲體側面的中心，此位置流速最大，在測量贓物介質時，有自清洗能力，與常規差壓流量計的管壁取壓相比，比較不易堵塞。

4 主要缺點和不足

1）和應力式渦街流量計相比，結構較復雜。

2）測量高溫介質時，需加裝冷凝管。

3）管壁取壓型，不適合測量臟污介質。

5 結論

應力式渦街流量計檢測技術現在比較成熟，但是管道振動對測量的影響一直困擾生產廠家和用戶。雖然有多種提高抗振動能力的設計和現場措施，還是不能徹底解決儀表抗振問題，應用范圍受到限制。

橫向差壓渦街流量計的推入市場，進一步了拓寬渦街流量計的應用范圍，特別是在大管徑、低流速、變組分流體測量以及有強振動的場合與應力式渦街流量計和差壓流量計相比，具有明顯的優勢。

[1]北京菲波安樂儀表有限公司.企業標準Q/CPFBA0001-2012[Z].

[2]蔡武昌、孫淮清、紀綱.流量測量方法和儀表的選用[M].北京：化工出版社.

[3]北京菲波安樂儀表有限公司.渦街流量計使用手冊[Z].