新型测量方法—横向差压涡街流量计

王凤雨，李一平，金泽

（华电（北京）热电有限公司，北京 100039）

0 引言

利用节流差压原理制成的流量计有很多种，差压流量计原理可靠、结构简单、无运动部件、可靠性较高。但是,差压流量计采用的是差压的数值，用于差压型流量计设计计算的流量方程比较复杂，仪表测量精度受被测流体物性影响较大。差压流量计输出的差压模拟信号与流量不是线性关系，这种模拟信号不适于远传,且容易出现零漂和温漂。这些都导致差压型流量计的现场使用系统精度不高。同时,差压型流量计的量程一般较窄。这些缺点使得差压型流量计在某些测量精度要求较高的场合不能适用。

涡街流量计是一种新型的数字信号流量计。涡街流量计测量精度高，介质通用性好，输出线性频率信号且无温漂和零漂，系统构成简单，无运动部件，维护量很小，可靠性高，工作寿命长。这些优点是其它类型流量计不能同时兼有的。

横向脉动差压涡街流量计是在这两种流量计的基础上发展出来的。在这里，差压传感器不用于测量差压的数值，而是用来测量差压的脉动频率。通常，涡街流量计的旋涡分离频率可采用多种不同的方法进行检测。曾经采用和正被采用的方法有：采用应变片或压电晶体检测旋涡交替分离引起的横向交变升力；采用旋涡调制超声信号的方法；采用旋涡交替分离引起的交变差压推动金属片振动，切割磁力线产生交变电动势的方法；其中，压电晶体检测法是目前采用最多，最普遍的方法。

压电晶体检测法采用高居里点的压电晶体或压电陶瓷感受旋涡分离引起的交变横向升力。压电晶体不需与被测介质接触，流量计的使用介质温度、压力可以较高；仪表具有较高的可靠性和使用寿命。但是，压电晶体是一种力敏元件，容易受管道振动或声波激励而产生噪声干扰信号，流量计的抗振动能力较低。采用压电晶体检测法的涡街流量计不适用于有强烈机械振动的场合。

横向脉动差压涡街流量计采用具有良好动态差压测量特性的差压传感器，检测横向差压的脉动频率。差压传感器输出的交变差压信号经滤波、整形成为与流量成比例的频率信号输出。与压电晶体检测法的涡街流量计相比，差压检测式涡街流量计具有更好的抗机械振动的能力。而且，差压传感器系统置于流量计的流管之外，维修和更换差压传感器时不需要切断管流。

目前，市场上还没有可供现场使用的差压检测式涡街流量计产品。文献上介绍的差压检测式涡街流量计采用两侧管壁取差压的方法，即在旋涡发生体后两侧流管壁上分别设置感压孔和导压管，用差压传感器测量这两点的差压，通过差压传感器输出的差压脉动信号得到旋涡分离频率，进而获得体积流量值。这种两侧壁取压方式的取压点位置有多种方案，但都处于旋涡发生体后面的旋涡尾流部分。旋涡发生体的下游是流动噪声较强的区域，因此，最终所采集的差压信号中叠加有较强，较复杂的流动澡声信号。这会加重信号处理电路的负担。此外，这种取压方式需要较长的引压管线，导致交变差压检测系统的频率特性变差，也不利于涡街流量计差压传感器及附件的结构布置。为了开发一种流动噪声信号较低同时结构又紧凑的差压检测式涡街流量计，对旋涡发生体直接取差压的差压检测式涡街流量计进行了实验研究，并开发成功了旋涡发生体上直接取差压的横向脉冲差压涡街流量计。

1 横向脉动差压涡街流量计原理

1.1 “横向差压”的概念

节流差压型流量计通常是在节流件的上下游分别设置取压孔，通过测量两者的差压值，计算得出流量，也就是说两个取压孔和流体流动方向是沿流动方向上下游的纵向排列,测量的是”纵向差压”。而差压检测式涡街流量计的两个取压孔则设置在与流动方向垂直的同一平面上，它要检测的是流体的横向差压的脉动频率见图1图2。

图1 纵向差压[1]Fig.1 Longitudinal differentialpressure[1]

图2 横向脉动差压[1]Fig.2 Horizontal differentialpressure fluctuation[1]

1.2 横向脉动差压的产生机理

当管道内的流体流经非流线型断面的柱体时，雷诺数达到一定数值后，在柱体后部两侧会产生交替分离的旋涡，导致流体产生振荡射流流动，即柱体两侧的流体流速交替增大或变小。柱体两侧由于流体的振荡流动而产生脉动的横向差压。两侧差压的正负方向与旋涡分离频率同步交替变化。

图3 振荡流动的上半周期和下半周期的柱侧流速变化[2]Fig.3 Oscillatory flow in the upper side of the second half of the cycle and cycle changes in flow velocity [2]

从流体流动机理上分析，旋涡从柱体的两侧交替形成和脱离的过程中,柱体后部的一股不断改变方向的横向流起了重要的作用,正是这股横向流周期性地改变方向,维持了沿柱体绕流的规则振荡现象。

图4 交变横流和交变差压[2]Fig.4 AC cross flow and differential pressure[2]

1.3 差压脉动频率与流量的关系

研究表明，柱体绕流的规则振荡的频率取决于管内平均流速大小和柱体的几何参数（断面形状和尺寸）。

当柱体断面的几何形状一定时，旋涡分离频率与柱侧流速v和柱体迎流面宽度d有确定的比例关系：

f = St ×v / d

上式中，斯特劳哈尔数St是仅由柱体断面几何形状确定的系数。实验表明，在一定的Re数范围内，St是一个常数。而d是定值，因此，脉动差压的频率，即流体振荡的频率f与管内平均流速v成正比。瞬时流量与流体振荡频率成确定的线性关系。测得横向差压脉动频率即测得管内流量。

图5 横向差压涡街流量计测量流程[3]Fig.5 Transverse differential pressure vortexflowmeters process[3]

2 横向差压型涡街流量计的主要结构

1）旋涡发生体；2）差压传感器；3）信号处理电路；4）表体；5）三阀组。

2.1 管壁取压（DN50以下）

图6 管壁取压产品实例、取样结构示意图[3]Fig.6 Wall tappings, sampling the product instance structure diagram[3]

2.2 柱体取压（DN80-DN300）

图7 柱体取压产品实例、取样结构示意图[3]Fig.7 Cylinder pressure, sampling the product instance structure diagram[3]

2.3 柱侧取压

图8 柱侧取压产品实例、取样结构示意图Fig.8 Cylinder pressure, sampling the product instance structure diagram

3 横向差压式涡街流量计主要特点

3.1 原始信号为脉冲数字信号

1）脉冲数字信号，压力元件无“零点漂移”或“温度漂移”。（它是测量变化量，而不是测量幅度)。

2）传输距离远，信号幅度的衰减并不影响流量测量精度。

3）仪表的准确度为示值准确度。

3.2 压力传感器数字信号与流体为线性关系

数字脉冲信号与流量的线性关系可获得较高的测量精度。

3.3 差压传感器原始信号信噪比高

传感器原始信号信噪比好，可大幅度降低流量计的测量下限。

3.4 可用于测量组分变化的介质

在测量体积流量时，流量计的仪表系数与介质密度几乎无关。

因此在测量变组分的气体、液体时，与差压流量计相比，准确度较高。

3.5 结构简单 安装方便

流量计在管道上直接安装，无需要另装引压管，差压变送器等。

3.6 抗振能力强

受管道振动及声波影响小，抗振能力优于传统的应力检测式涡街流量计。

3.7 测量下限低，量程比宽。

DN80 样机在中国航空工业计量站的20000升钟罩检定系统上进行了精度测试，得到图9。

图9 检定曲线Fig.9 Calibration curve

在不同量程下，精度指标分别为：

流量区间30-802 m3/h ，线性误差±1.1%，重复性误差0.36%（范围度1:26）。

流量区间50-802 m3/h ， 线性误差±0.51%重复性误差0.12%（范围度1:16）。

流量区间70-694 m3/h ，线性误差±0.3%，重复性误差0.12%（范围度1:10）。

从图10～图16可以看出：各测量流量点的信号质量较好。

图10 流量 32.7 m3/h信号波形图Fig.10 32.7 m3/h flow signal waveforms

图11 流量 50.6 m3/h信号波形图Fig.11 50.6 m3/h flow signal waveforms

图12 流量 70.6 m3/h信号波形图Fig.12 70.6 m3/h flow signal waveforms

图13 流量 202.4 m3/h信号波形图Fig.13 202.4 m3/h flow signal waveforms

图14 流量 404.4 m3/h信号波形图Fig.14 404.4 m3/h flow signal waveforms

图15 流量 695.6 m3/h信号波形图Fig.15 695.6 m3/h flow signal waveforms

图16 流量 802.9 m3/h信号波形图Fig.16 flow 802.9 m3/h signal waveforms

3.8 可以不断流在线更换检测元件

传感器元件可实现在线更换，更换传感器元件后，仪表系数不发生变化。

3.9 旋涡发声体侧面中心取压不易堵塞

DN80以上口径取压空设置在旋涡发声体侧面的中心，此位置流速最大，在测量赃物介质时，有自清洗能力，与常规差压流量计的管壁取压相比，比较不易堵塞。

4 主要缺点和不足

1）和应力式涡街流量计相比，结构较复杂。

2）测量高温介质时，需加装冷凝管。

3）管壁取压型，不适合测量脏污介质。

5 结论

应力式涡街流量计检测技术现在比较成熟，但是管道振动对测量的影响一直困扰生产厂家和用户。虽然有多种提高抗振动能力的设计和现场措施，还是不能彻底解决仪表抗振问题，应用范围受到限制。

横向差压涡街流量计的推入市场，进一步了拓宽涡街流量计的应用范围，特别是在大管径、低流速、变组分流体测量以及有强振动的场合与应力式涡街流量计和差压流量计相比，具有明显的优势。

[1]北京菲波安乐仪表有限公司.企业标准Q/CPFBA0001-2012[Z].

[2]蔡武昌、孙淮清、纪纲.流量测量方法和仪表的选用[M].北京：化工出版社.

[3]北京菲波安乐仪表有限公司.涡街流量计使用手册[Z].