渦街流量計(jì)的測(cè)量原理與影響其準(zhǔn)確度的因素分析

渦街流量計(jì)測(cè)量計(jì)原理

把一個(gè)非流線型阻流體（BluffBody）垂直插入管道中，隨著流體繞過阻流體流動(dòng)，產(chǎn)生附面層分離現(xiàn)象，形成有規(guī)則的旋渦列，左右兩側(cè)旋渦的旋轉(zhuǎn)方向相反，這種旋渦稱為卡門渦街，如圖1所示。

圖1 渦街形成的原理圖

根據(jù)卡門的研究，這些旋列多數(shù)是不穩(wěn)定的，只有形成相互交替的內(nèi)旋的兩排旋渦，且渦列寬度d和同列相鄰的兩旋渦的間距l(xiāng)之比滿足一個(gè)常數(shù)時(shí)，這樣的渦列才是穩(wěn)定的。（對(duì)于圓柱形旋渦發(fā)生體這個(gè)比例為0.281）[2]。

根據(jù)卡門渦街原理，旋渦頻率f與管內(nèi)平均流速u有如下關(guān)系：

     （1）

式中：u1-旋渦發(fā)生體兩側(cè)平均流速（m/s）；d-旋渦發(fā)生體特征度；St-斯特勞哈爾數(shù)；m-旋渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積和管道內(nèi)橫截面積之比。

由此可得瞬時(shí)體積流量與渦街頻率的關(guān)系為：

    （2）

從上式可以得到儀表系數(shù)K為：

    （3）

式中：qv-通過流量計(jì)的體積流量（L/s）；f-流量計(jì)輸出的信號(hào)頻率；k-渦街流量計(jì)的儀表系數(shù)（1/L）。

由上式可以看出，在St為常數(shù)時(shí)，儀表系數(shù)k僅與旋渦發(fā)生體的幾何參數(shù)有關(guān)，而與流體物性和組分無關(guān)。因此，渦街流量計(jì)既可以測(cè)量液體，也可以測(cè)量氣體[3]。用水標(biāo)定的渦街流量計(jì)可以用來測(cè)氣體。

圖2 St數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系

    圖2為斯特勞哈爾數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系。從上圖可以看出管道內(nèi)流體的雷諾數(shù)若小于5×103時(shí)，測(cè)量將無法進(jìn)行，因此選型時(shí)要注意渦街流量計(jì)的最小流量的限制[4-5]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前也有一些廠家的渦街流量計(jì)可對(duì)不同雷諾數(shù)段的St值進(jìn)行分段補(bǔ)償，如Endress+Hause的Prowirl73型的渦街流量計(jì)。

1、旋渦發(fā)生體迎流面堆積的影響

如果被測(cè)流體中存在黏性顆粒，則可能會(huì)逐漸堆積在旋渦發(fā)生體迎流面上，使其幾何形狀和尺寸發(fā)生變化，因而流量系數(shù)也相應(yīng)變化，因此在使用中要注意清理。

2、溫度對(duì)測(cè)量的影響

溫度變化對(duì)測(cè)量體幾何尺寸變化的影響有兩部分組成，一是旋渦發(fā)生體寬度發(fā)生變化引起的;另一個(gè)是管道內(nèi)經(jīng)變化引起的。消除此影響一般是對(duì)K系數(shù)進(jìn)行修正。目前一些廠家的流量計(jì)已對(duì)溫度的影響在軟件中進(jìn)行固定溫度修正和實(shí)時(shí)溫度修正。

3、配管內(nèi)經(jīng)與流量計(jì)內(nèi)經(jīng)不一致造成的影響

一般進(jìn)口儀表的內(nèi)經(jīng)是按照國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的，而在國(guó)內(nèi)的配管內(nèi)經(jīng)是國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的，兩者之間的差別有時(shí)很大，對(duì)于配管內(nèi)經(jīng)與流量計(jì)內(nèi)經(jīng)不一致，可分為以下情況：

3.1、當(dāng)管道實(shí)際內(nèi)經(jīng)大于儀表內(nèi)經(jīng)時(shí)，兩者之間的差值不超過流量計(jì)內(nèi)經(jīng)的3%，這時(shí)造成的誤差很小，對(duì)測(cè)量無影響，可無需修正。

3.2、當(dāng)管道內(nèi)經(jīng)小于儀表內(nèi)經(jīng)，且兩者之差不超過流量計(jì)內(nèi)經(jīng)的2%時(shí)，產(chǎn)生的誤差較小，可通過對(duì)儀表系數(shù)的修正進(jìn)行補(bǔ)償。

3.3、當(dāng)管道內(nèi)經(jīng)與儀表內(nèi)經(jīng)相差較大，由于流體經(jīng)過這種突變?cè)斐傻牧黧w擾動(dòng)使得渦街流量計(jì) 的測(cè)量變得不再穩(wěn)定和可靠，造成的誤差無法通過修正K系數(shù)來補(bǔ)償。此時(shí)需要流量計(jì)前后安裝足夠的與流量計(jì)內(nèi)經(jīng)一致的直管段或流量計(jì)前安裝流場(chǎng)優(yōu)化整流器，但安裝整流器后仍需一定的直管段。渦街流量計(jì)的安裝要點(diǎn)

    （1）選擇合理的安裝場(chǎng)所。如避開強(qiáng)電力設(shè)備、高頻設(shè)備、強(qiáng)電源開關(guān)設(shè)備；避開高溫?zé)嵩春洼椛錈嵩吹挠绊懀槐荛_強(qiáng)烈振動(dòng)。

    （2）上下游直管段滿足要求。不同的阻流件對(duì)流場(chǎng)的影響是不一樣的，在突縮和突擴(kuò)管段可能在肩部形成二次流，在彎管位置在流動(dòng)方向突然改變的彎管內(nèi)外側(cè)將形成二次流，在流通截面積突然改變的閥門位置流動(dòng)也將受到影響。因此不同阻流件對(duì)直管段的要求也不同，見圖3，如流量計(jì)前有一個(gè)彎頭時(shí)，前面的直管段要求20倍的管道內(nèi)徑，后面的直管段要求5倍的管道內(nèi)徑。而流量計(jì)前有兩個(gè)彎頭時(shí)，前面的直管段要求40倍的管道內(nèi)徑，后面的直管段要求5倍的管道內(nèi)徑。

    （3）有振動(dòng)的管道，渦街流量計(jì)表頭水平安裝，對(duì)于振動(dòng)較強(qiáng)的管系，設(shè)置減振裝置。

    （4）如有可能安裝旁通管，便于檢修。

    （5）測(cè)量含有少量異相的流體時(shí)，注意傳感器的安裝位置。如測(cè)量介質(zhì)中還有固體物時(shí)，流量計(jì)應(yīng)安裝在不易沉淀的地方；而測(cè)量介質(zhì)為氣體，其中含有液體時(shí)，應(yīng)在流量計(jì)前安裝排放閥，否則會(huì)產(chǎn)生氣錘，損壞傳感器。

    （6）介質(zhì)溫度較高時(shí)，流量計(jì)表頭向下安裝，或選用分體式流量計(jì)。

    （7）渦街流量計(jì)信號(hào)傳輸電線應(yīng)采用金屬屏蔽電線，要有良好的接地措施。遵循一點(diǎn)接地原則。

    （8）管道隔熱保溫。一般測(cè)量蒸汽時(shí)，管道隔熱保溫是防止能量散失的重要手段，當(dāng)對(duì)渦街流量計(jì)進(jìn)行隔熱處理時(shí)，應(yīng)確保渦街流量計(jì)的傳感器和電路部分暴露在外，確保熱量向外射以防止儀表電子部件過熱。

    （9）為防止氣穴現(xiàn)象發(fā)生，渦街流量計(jì)進(jìn)口壓力要滿足要求：

     （4）

    Δp-渦街流量計(jì)的壓損；Pv-使用溫度下的液體的絕對(duì)飽和蒸汽壓。

圖3 渦街流量計(jì)直管段最小要求