涡街流量计在贸易计量上的应用

刘 扬，杜 明

（1.天津市亿环自动化仪表技术有限公司，天津 300409；2.中国石油化工股份有限公司天津分公司，天津 300270）

涡街流量计是一种应用卡门涡街原理的流量计，用于液体、气体和蒸汽的测量，也可测量含有微小颗粒、杂质的浑浊液体，广泛应用于石油、化工、制药、造纸、冶金、电力、环保、食品等行业。

1 涡街流量计的工作原理

涡街流量计是以卡门涡街理论为基础：当流体流经非线性的三角柱挡体时，在挡体的两侧就会交替产生有规则的旋涡信号，该旋涡的分离频率与流体的流速成正比[1]。涡街流量计结构原理如图1所示。

图1 涡街流量计结构原理图Fig.1 Schematic diagram of vortex flowmeter structure

根据卡门涡街原理，有如下关系式：

式中：

m—旋涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比（无量纲）；

D—表体通径（单位：m）；

d—旋涡发生体迎面宽度（单位：m）；

f—旋涡的发生频率（单位：Hz）；

U1—旋涡发生体两侧平均流速（单位：m/s）；

Sr—斯特劳哈尔数（无量纲）；

U—被测介质来流的平均速度（单位：m/s）；

qv—瞬时体积流量（单位：m3/s）；

K—流量计的仪表系数（单位：m-3）

由公式可见，平均仪表系数的大小只与涡街流量传感器几何尺寸即涡街口径、阻挡体宽度与斯特劳哈尔数Sr 有关。斯特劳哈尔数与雷诺数的关系如图2所示，可见，当雷诺数Re 在2×104～7×106之间时，Sr 可视为常数。也就是说，对于一台口径、阻挡体几何尺寸已经确定的涡街流量计，它的仪表系数在一定的流速范围内是定值的。

图2 斯特劳哈尔数与雷诺数的关系Fig.2 Relationship between strohal number and reynolds number

2 涡街流量计的特点

1）可测量液体、气体、蒸汽的流量；

2）输出为脉冲频率，其频率与被测流体的实际体积流量成正比，且不受流体组分、密度、压力、温度的影响；

3）结构简单，无机械运动部件，长期运行稳定可靠；

4）量程比适中，普通传感器量程比可达10∶1 以上，智能涡街流量计量程比可达40∶1；

5）压力损失小，约为孔板流量计的1/4～1/2。

3 涡街流量计在贸易计量上的优势

1）涡街流量信号为数字频率方式，测量精度高

涡街流量计的旋涡分离频率是与体积流量的大小成正比的，且分离频率不受流体组分、密度、压力、温度的影响。只要测量出旋涡个数，就可以准确计算出体积流量，而旋涡个数的测量是纯数字概念，不存在测量数值上的误差，让涡街流量计具有了全量程范围内流量信号精确的特点，是其它模拟类流量计不可比拟的优点。传感器线性均为1%的脉冲型涡街和模拟类流量计精度对比如表1所示。

表1 涡街流量计和模拟型流量计精度对比Tab.1 Comparison of accuracy between vortex flowmeter and analog flowmeter

2）补偿运算简单，计算精度高，未知参数少

涡街流量计的体积流量可以通过测量旋涡分离频率得知，蒸汽密度、气体密度、压缩系数都可以通过测量温度压力进行补偿计算，且计算公式均为国标或国际公式，计算精度高。与差压式流量计对比，差压式流量计计算结果受密度、粘度、等熵指数、压缩系数、气体可膨胀系数以及结构尺寸热胀冷缩变化的影响[2]，补偿计算较复杂，且很多差压式流量计并没有气体可膨胀系数的补偿计算公式，因此，计量结果会存在一定偏差。

涡街流量计算法流程如图3所示，图中虚线框为外部采集信号，实线框为计算参数；差压式流量计算法流程如有图4所示，图中虚线框为外部信号及已知参数，实线框为计算参数。

图3 涡街流量计算法流程Fig.3 Flow chart of vortex flowmeter algorithm

图4 差压式流量计算法流程Fig.4 Flow chart of differential pressure flowmeter algorithm

3）仪表测量异常时，能快速分析判断

由于卡门涡街流量信号是由旋涡频率数值来体现的，在正常情况下，旋涡分离频率是稳定的，只有当传感器发生异常或工况发生变化时，旋涡分离频率才会有很大的变化，因此，通过观察涡街流量传感器频率变化范围的大小，可以很方便的分析出传感器是否存在故障，不会出现模拟类传感器在使用时因为零点偏移或模拟转换误差而带来不易发现的计量误差。涡街信号如图5所示[3]。

图5 涡街信号Fig.5 Vortex signal

观察涡街流量计放大整形后波形，若为均匀方波信号，则为正常流量变化；若出现明显不均匀方波信号，则可能为外界干扰、超出测量范围或传感器故障导致。

4 涡街流量计在贸易计量上的注意事项

除常规的选型设计外，涡街流量计用在贸易计量时，还应注意以下几点：

1）蒸汽状态变化对流量测量的影响

测量蒸汽时，在蒸汽经过阀门或较长管道输送后，可能会产生蒸汽状态变化的情况：

（1）过热蒸汽变为饱和蒸汽

过热蒸汽在管道输送过程中，会产生热能损失，即温度降低。当温度降到一定程度时，会从过热蒸汽状态进入临界干饱和状态或过饱和状态。

如进入干饱和状态，理论上不会产生计量误差。因干饱和蒸汽仍属于蒸汽范畴，且测量过热蒸汽一般选用温度压力双补偿方式，同时适用于过热蒸汽和干饱和蒸汽的密度补偿。

如进入过饱和状态（即湿饱和状态），湿度会以水滴、水雾的状态存在，势必影响介质的密度。但蒸汽的密度补偿算法仅适用于干蒸汽的计量，因此湿度越大（干度越小），误差越大。一般情况下，干度≥95%时，误差较小；干度＜95%时，误差过大。

解决方法：

①减短输送管道距离；

②做好管道的保温；

③当输送管道过长时，将仪表安装管道抬高，或增加排液装置。

（2）饱和蒸汽变为过热蒸汽[4]

理想的饱和蒸汽状态是温度、压力、密度呈一一对应关系，知道其中一个参数，即可计算出另外两个，因此测量饱和蒸汽一般采用单补偿方式，即单温度补偿，或单压力补偿。但当饱和蒸汽经过加压阀产生大幅降压时，可能由饱和状态转变成过热蒸汽。此时若采用单温度补偿计算的密度误差较大，采用单压力补偿计算的密度误差相对较小；如果能选用温压补偿方式，则不会产生误差。

蒸汽减压和流量测量示意图如图6所示。化工厂锅炉出口的饱和蒸汽（1 MPa，184.1 ℃），经过减压阀后转变为过热蒸汽状态（0.42 MPa，162.4 ℃，密度2.7048 kg/m3），不同补偿方式计算的密度对比如表2所示，温度补偿误差高达27.61%，而压力补偿误差仅在2.60%。

图6 蒸汽减压和流量测量示意图Fig.6 Schematic diagram of steam decompression and flow measurement

表2 饱和蒸汽的不同补偿方式计算密度对比Tab.2 Comparison of calculation density of different compensation methods for saturated steam

解决方法：

①流量计安装在减压装置上游；

②若安装在减压装置下游，尽量采用温压双补偿方式，或单压力补偿方式。

2）选择具有内置高精度标准算法的涡街流量计

软件算法会对涡街流量计计量的精度造成较大影响。如蒸汽密度、气体压缩系数，都是影响计算精度的关键参数。

蒸汽密度的计算方法有查表法和公式法两种，两种算法中公式法相对精度高，并且可以对蒸汽饱和及过热区域进行判断；查表法覆盖区域有限，对于蒸汽饱和及过热区域没有准确的界限。

气体的压缩系数也是随工况条件而变化的，如果默认按1 计算，则计算结果会存在一定偏差。因此，测气体，尤其是测天然气时，应选用带有压缩系数补偿功能的涡街流量计。天然气压缩系数曲线如图7所示。

图7 天然气压缩系数曲线Fig.7 Natural gas compression coefficient curve graph

5 结语

涡街流量计是目前最适合贸易计量的流量计之一，因为通过涡街输出的漩涡频率的稳定性能够直观地判断出流量计工作是否异常，且压损小、安装方便，长期使用中涡街流量计产生的表体结构偏差对仪表系数的影响很小，因此可以长期作为计量仪表使用。