涡街流量计的应用

引言

涡街流量计作为一种新型仪表，在流量测量中应用广泛，但在安装中存在不少的问题，本文就安装中应注意的几个问题进行阐述，以便更好地安装涡街流量计。同时，涡街流量计在现场实际使用中会产生不同程度的误差。本文也对其在流量测量中的误差产生原因进行了分析，提出处理方法，以提高其测量精度。

1 涡街流量计的安装

了解清楚仪表的结构、使用环境、安装要求等，严格按照安装手册的要求进行安装。在已投产的设备上安装时还应注意安全措施是否完备，特别是涉及高温、高压介质的。

1.1 安装前一般要求

1）尽可能装在振动和冲击小的场所，如测量到管路中有振动，则应采取加固管道等减振措施。2）若流量计受到生产设备的热辐射较强，则应采取隔热和通风措施。3）流量计安装地点周围应有充裕的空间，以便安装和维护。4）流量计可垂直、水平或倾斜安装。测量液体时，测量点必须充满液体，垂直安装时，液体流向必须自下而上。5）一般情况下，把流量计安装在阀门的下游。6）应保证流量计前后有足够长度的直管段。

图1 涡街流量计对上、下游直管段长度的要求

1.2 仪表安装中应注意的问题

1）仪表安装时一定要注意，不能搞错方向，要按照仪表随机资料的要求来确定安装方向。2）原则上仪表要竖直向上安装在水平管路上。如果确实因管路布置和安装空间的限制，不能竖直向上安装，则部分仪表也可水平安装。3）仪表的上游与下游要有足够长的直管段。一般地，仪表的上游与下游直管段长度要求如图1所示。如果不能满足要求，则可能使测量精度降低甚至仪表根本无法工作。4）某些情况下，需要对被测流体进行温度、压力补偿。5）对某些液体介质通过仪表时由于压力降低造成的汽化现象要予以充分的注意。6）传感器与管道的连接如图2所示。在与管道连接时要注意以下问题：a.上、下游配管内径D与传感器内径D\'相同，其差异满足下述条件：0.95D≤D\'≤1.1D。b.配管应与传感器同心，同轴度应小于0.05D\'。c.为防止泄漏，安装仪表时要使用密封垫。d.管道安装法兰时的焊渣一定要清除干净，必须保证仪表两侧管道内部光洁流畅。e.如需断流检查与清洗传感器，应设置旁通管道如图3所示。7）减小振动对涡街流量计的影响。8）成套安装，包括前后直管段，流动调整器等是保证获得高精确度测量的一个措施。9）电气安装应注意传感器与转换器之间采用屏蔽电缆或低噪声电缆连接，其距离不应超过使用说明书的规定。

2 涡街流量计的工作原理

涡街流量计是应用流体振荡原理来测量流量的，流体在管道中经过涡街流量变送器时，涡街流量变送器中设置有旋涡发生体（阻流体），在流体从旋涡发生体两侧交替地产生有规则的旋涡，这种旋涡称为卡曼涡街。旋涡列在旋涡发生体下游非对称地排列。设旋涡的发生频率为f，被测介质来流的平均速度为U，旋涡发生体迎面宽度为d，表体通径为D，根据卡曼涡街原理，有如下关系式：

其中，U1为旋涡发生体两侧平均流速，m/s；Sr为斯特劳哈尔数；m为旋涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比：m=1-。

管道内体积流量qv为：

其中，K为流量计的仪表系数。

K除与旋涡发生体、管道的几何尺寸有关外，还与斯特劳哈尔数有关。如图4所示为圆柱状旋涡发生体的斯特劳哈尔数与管道雷诺数的关系图。由图4可见，在ReD=2×104～7×106范围内，Sr为常数，这是仪表正常工作范围。当测量气体流量时，涡街流量计的流量计算式为：

其中，qn，qv分别为标准状态下（0℃或20℃，101.325kPa）和工况下的体积流量，m3/h；pn，p分别为标准状态下和工况下的绝对压力，Pa；Tn，T分别为标准状态下和工况下的热力学温度，K；Zn，Z分别为标准状态下和工况下气体压缩系数。

图4 斯特劳哈尔数与雷诺数关系曲线

可见，仪表系数在一定雷诺数范围内仅与旋涡发生体及管道的形状尺寸等有关。由式（2）和式（4）可知，通过测量旋涡频率就可以计算出流过涡街流量计的流量。

3 涡街流量计误差生成的原因及处理

3.1 雷诺数的影响

1）雷诺数的影响。由涡街流量计的工作原理及图4的斯特劳哈尔数与雷诺数关系曲线我们可以知道，在雷诺数为2×104～7×106范围内，是仪表正常工作范围。在雷诺数为5×103～2×104范围虽然也在仪表的工作范围内，但因为斯特劳哈尔数增大，会产生测量误差，流量系数需经校正后才能保证流量测量精确度。

2）雷诺数影响的校正。雷诺数影响的校正一般有两种方法。一种是在流量二次表中完成，适用于涡街流量计本身无校正能力的测量系统。另一种是在涡街流量传感器（变送器）中实现，适用于涡街流量计本身有校正能力的测量系统。

3.2 流体温度变化的影响

1）流体温度变化的影响。由涡街流量计的工作原理和式（3）我们可以看出，涡街流量计流量系数K受流体温度的影响由两部分组成：a.由发生体宽度d变化引起；b.由管道内径D变化引起。

从式（1）中可以看出，f与d成反比，K与D2成反比，由于实际中使用的流体温度与设计时的流体温度有较大的差异，由此引入的误差是可观的。2）流体温度变化影响的校正。流体温度变化影响的校正方法是按照流体的实际温度重新计算流量系数。

3.3 发生体迎流面堆积的影响

1）发生体迎流面堆积产生的影响。在被测流体中如果存在着粘性颗粒或夹杂较多的纤维状物质，则会逐渐堆积在旋涡发生体迎流面上，使其几何形状和尺寸发生变化，因而流量系数也相应变化，产生误差。

2）发生体迎流面堆积的处理。发生体迎流面堆积产生的影响目前无好的校正方法。在必要的情况下，可以通过定期更换发生体的办法解决。

3.4 发生体锐缘磨损的影响

1）发生体锐缘磨损产生的影响。涡街流量计旋涡发生体的迎流面如果被测流体中含有固形物，则锐缘很容易被磨损而变成圆弧，会引起流量系数K的变化。2）发生体锐缘磨损的处理。发生体锐缘磨损后应对仪表的流量系数重新标定，当磨损严重，流量系数变化太大时，应考虑更换发生体（选择耐磨性能优良的材质制造发生体，是根本的、积极的办法）。

3.5 管道内径引入的误差

1）管道内径引入的误差分析。正常情况与涡街流量计连接的管道，其内径与它测量管内径并不完全一致。当管道内径等于或略大于涡街流量计测量管内径时，流量系数正常。反之，由于流体流过截面积突变的管段时会产生二次流，因此流量示值会出现明显的波动，产生误差。

2）管道内径引入的误差的修正。当管道内径小于测量管内径（3%）时，因流通截面积突变引起流速变化可能产生附加测量误差。这时，可通过修正流量系数K\'来补偿，K\'=FD×K=K×(D2/D1)2，其修正系数FD的表达式为：FD=(D2/D1)2。其中，D1为测量管实际内径；D2为管道实际内径.

4 结语

涡街流量计的安装不当会造成无输出信号、伪输出、间断或不稳定输出、不准确或非线性输出、非重复输出等多方面的问题。但是，只要我们认真注意仪表安装中的注意事项，就一定能够高质量地完成涡街流量计的安装工作。由于涡街流量计种类繁多，各种涡街流量计在流量测量中的误差也不尽相同。只要我们在实际工作中深入现场，仔细观察，仔细分析，就可以发现问题并进行针对性的处理，从而确保流量的正确测量。

参考文献：
［1］乐嘉谦.仪表工手册［M］.第2版.北京：化学工业出版社，2004.
［2］池兆明.流量仪表系数K及其影响因素［J］.自动化仪表，1998（3）：54-56.
［3］纪纲.流量测量仪表应用技巧［M］.北京：化学工业出版社，2003.(end)