大口徑可變測量范圍節流穩流式渦街流量計
李吉男 常金旺 大連中隆儀表有限公司 大連 116023
一、背景技術
渦街流量計是根據“卡門渦街”原理研制成的一種流體振蕩式流量測量儀表。在流動的流體中插入一個斷面為非流線型的柱狀物體時，從柱狀物體兩側會產生兩列交替產生的漩渦（參看圖1）。
圖1 渦街信號發生示意圖漩渦分離的頻率與流速成正比，與柱體的寬度成反比，可用下式表示：
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（1） 式中 f–漩渦分離的頻率
St–系數（斯特勞哈爾數）
v–流體流速
d–柱體迎流面寬度
由上式可見，通過測量漩渦頻率便可測出流體流速和瞬時流量。斯特勞哈爾數（St）是可通過試驗確定的無因次數，圖2中表示出了斯特勞哈爾數（St）與雷諾數（Re）的關系。
圖2斯特勞哈爾數與雷諾數的關系曲線曲線的平直部分對應渦街流量計的測量流量的范圍。只要檢測出頻率f即可求得管內流體的流速，由流速可求出體積流量。一段時間內輸出的脈沖數與流過流體的體積量之比，稱為儀表的系數K
（2） 式中： K–儀表系數（脈沖/m3）
N–脈沖個數
Q–體積總量（m3）
渦街流量計可用來測量流體的瞬時流量（流率），也可以用來測量累積流量（總量）。當用來測量瞬時流量時其測量值可用下式表示：
（3） 式中 Q 體積流量值 m3/h
f 渦街流量計輸出信號頻率 Hz
K 渦街流量計流量系數 P/m3
當用來測量累積流量（總量）時其測量值可用下式表示：
（4） 式中 Q總累積流量 m3
N 累積總量對應的脈沖個數
K 渦街流量計流量系數 P/m3
由于這種流量計具有適用流體種類多（適用氣體、液體、蒸汽等），結構簡單、無機械可動部件、可靠性好，**度較高，范圍度寬，壓損小，輸出與流量成正比的脈沖信號（流量測量確定性好），信號無零點漂移，而且在一定雷諾數范圍內輸出信號不受介質物性參數（密度、粘度等）的影響等優點，因此這種流量計越來越受到用戶的歡迎，使用領域也在不斷地擴大。
與其他流量測量儀表一樣，渦街流量計的使用很重要的一點就是根據管道實際流量范圍正確選用相應測量范圍儀表，以實現流量的正常測量。由于工藝參數的不確定性（例如新裝置參數的不確定性、生產能力負荷的不確定性、以及對未來負荷估計的不確定性等等）有時這種選擇是很困難的（實踐中往往都是將儀表口徑選大）。不適合的選擇往往會帶來儀表運行的不正常，使介質流量的測量無法正常進行。
正常情況下遇到這種情況一般就要重新選擇儀表規格（口徑），并重新進行安裝以滿足測量要求。而這種更換儀表的工作實現起來有不少困難，因為重新安裝就要同時對儀表前后相當長的管路進行縮、擴徑安裝處理。為此我們曾經發明了一種實用新型**技術“節流穩流式渦街流量計”（國家**號：ZL 02 2 42863.1），用來解決上述問題。但此**結構主要適用于小口徑儀表。在大口徑儀表上實現比較困難（因為需要有足夠的表體長度）。
另外，渦街流量計的信號頻率一般來說正比于介質流速，反比于渦街信號發生體的寬度。經過大量試驗，為了穩定渦街信號分離，國際上一般采用的渦街信號發生體迎流面寬度一般為儀表口徑的20-30％。這樣，越是口徑大的儀表其渦街發生體的寬度越大，帶來了一個突出的問題，就是信號頻率比較低，流量系數比較小，儀表測量分辨率比較低（例如300mm口徑渦街流量計參考流量系數為45P/m^3，用于氣體流量測量時其參考信號頻率范圍為14-120Hz左右，若用于液體介質流量測量其參考信號頻率只有1-12Hz左右）。因此一般認為不適合制作和使用大口徑渦街流量計（國際上一般不制作300mm口徑以上的渦街流量計），使大口徑渦街流量計的使用受到限制。
二、大口徑可變測量范圍節流穩流式渦街流量計
鑒于上述技術中存在的問題，我們設計制作了一種全新結構的大口徑可變節流面積比的渦街流量計。其原理結構見圖3。
渦街流量計測量腔表體內部中心處置有迎流面為流線型結構的圓柱型節流件，節流件與儀表內腔形成環形流通腔。環形流通腔用隔板按對稱結構隔開兩個或多個流通腔（隔板同時起整流、穩流作用），在其中一個或多個流通腔內放置渦街信號發生體及信號檢測器，測量流體的流速，進而實現流體流量的測量。
圖3 大口徑節流式渦街流量計結構示意圖
由于幾個流通腔完全制作成對稱結構，因此在流速充分發展的條件下（與其他速度式流量計一樣需要保證儀表前后必需的直管段長度）測量其中某一個流通腔的介質流速就可以準確測量管道的流體流速，進而準確測量管道介質流量。在流速分布的均勻度不確定的條件下（例如流量計前直管段長度不足夠長，滿足不了要求），可以設置多點流速測量，并取其平均信號，進而保證整個管路介質流量的準確測量。
由于流通腔制作成矩形結構，介質的流動狀態可近似認為二維狀態（圓型結構的流動狀態可示為三維狀態），信號分離效果好。因此可用相對較窄的渦街信號發生體就可以得到較穩定的信號分離效果，當然，信號頻率也有了明顯的增加。
這種結構的渦街流量計與一般的渦街流量計相比有以下若干突出的特點：
（1）可以通過改變節流比來改變儀表適用量程。可以方便用戶選用、改用。甚至有可能實現按管徑選擇相應的儀表。這對儀表的選擇、安裝、使用帶來極大的方便（不用進行縮、擴管處理），尤其對大口徑管路儀表的安裝帶來極大的方便，并可節省大量安裝費用。傳統結構渦街流量計的有效面積一般為64%左右，改變有效面積可以改變介質局部流速，從而得到能正常分離和測得信號的效果。
（2）大口徑儀表的信號頻率增加，信號分辨率將有明顯的提高。設計的大口徑節流式渦街流量計200mm口徑是*小口徑。對200mm口徑渦街流量計而言在與傳統結構渦街流量計具有相同的有效面積比（一般渦街流量計的有效面積比大約為64％）的條件下，信號分辨率將至少提高3倍，更大口徑的渦街流量計分辨率將會有更大的提高。這對大口徑渦街流量計信號分辨率的改善意義重大，也會對大口徑渦街流量計的推廣使用帶來根本性變革。因為渦街流量計兩大缺點（怕振動、大口徑儀表信號分辨率低）之一得到了有效的解決，而振動影響對大口徑儀表來說并不突出了。
（3）流線型結構的內節流件結構具有對流體的整流作用，同時通過雙傳感器或多傳感器測量的方法，可以解決管路內流速分布不均勻的流體流量的準確測量。這些措施的實現可以降低表前直管段的長度要求，對有些特殊場合的應用意義重大。
（4）由于節流件采用了流線型結構，因此在同樣的節流比的條件下，壓力損失要比傳統結構的小，具有節能意義。
（5）由于信號放大板的規格一致（不同規格口徑的渦街流量計的渦街發生體基本寬度是一樣的），對儀表的制作、調試以及使用、維護帶來了方便。
三、性能驗證
新型結構渦街流量計是否依然具備傳統結構渦街流量計的主要使用特點呢？如：渦街信號分離效果是否理想？儀表測量范圍度是否依然能達到1：10的范圍？儀表系數的變化規律如何？在儀表測量腔的某一點設置流速測量點是否能準確代表整個測量腔的介質流速？儀表的校驗方法是否與原來相同？等等，這是我們關心的問題，也是我們需要通過實驗驗證的問題。
我們用200mm口徑渦街流量計進行了一系列實驗，包括測量腔內流速分布測量實驗；不同介質不同雷諾數狀態儀表系數變化實驗（斯特勞哈爾數變化實驗）；不同節流比系數變化實驗（斯特勞哈爾數變化實驗）；不同渦街發生體對信號測量的影響實驗；渦街信號測量探頭*佳安裝位置實驗等等。
實驗基本證實了此結構的合理性及靈活性，并得到以下實驗結論：
（1）信號測量腔由圓形結構變為方型結構，使流體狀態近似為二維狀態（圓型結構的流動狀態可示為三維狀態），渦街信號分離效果好，信號質量好。
（2）在1：10或更大范圍度范圍信號保持穩定狀態，范圍度特性良好。
（3）在管道雷諾數與傳統結構相同的條件下，儀表測量特性基本相同。
（4）在管道直管段滿足要求的條件下，測量腔某一點的流速測量結果完全可以代表整個流通面積的流體流速，儀表的測量準確度及重復性指標未受到影響。
（5）在一定的節流件直徑與管道直徑比狀態下，有效流通面積比的變化，不引起斯特勞哈爾數的變化，這對大口徑流量計的校驗及流量系數的確定意義重大。
（6）儀表校驗方法可與傳統結構流量計相同。
（7）儀表可測下限流量可做較方便的調整，可測下限流量調整到傳統結構下限可測流量的1/4-1/2狀態下，仍可得到穩定的測量結果。不過此時管道雷諾數過低，斯特勞哈爾數有了較明顯的變化，因此要保證較高的測量準確度，需要對測量信號進行補償。
大口徑可變測量范圍節流穩流式渦街流量計已經投入試生產，并已在多個用戶單位使用，分別用來測量壓縮空氣、天然氣、蒸汽、水等介質，使用效果良好。
大口徑可變測量范圍節流穩流式渦街流量計已經申請國家**，并已得到批準，國家**號為ZL 200520107291.0。