摘要：在特定的流動(dòng)條件下，一部分流體動(dòng)能會(huì)轉(zhuǎn)化為流體振動(dòng)，其振動(dòng)頻率與流速（流量）有確定的比例關(guān)系，依據(jù)這種原理工作的流量計(jì)稱為流體振動(dòng)流量計(jì)。本文主要介紹了渦街流量計(jì)在石化行業(yè)的應(yīng)用，供大家了解。
在特定的流動(dòng)條件下，一部分流體動(dòng)能會(huì)轉(zhuǎn)化為流體振動(dòng)，其振動(dòng)頻率與流速（流量）有確定的比例關(guān)系，依據(jù)這種原理工作的流量計(jì)稱為流體振動(dòng)流量計(jì)。目前流體振動(dòng)流量計(jì)有三類：渦街流量計(jì)、旋進(jìn)（旋渦進(jìn)動(dòng)）流量計(jì)和射流流量計(jì)。渦街流量計(jì)具有以下一些特點(diǎn)：
①輸出為脈沖頻率，其頻率與被測流體的實(shí)際體積流量成正比，不受流體組分、密度、壓力、溫度的影響；
②測量范圍寬，一般范圍度可達(dá)10：1以上；
③度為中上水平；
④無可動(dòng)部件，可靠性高；
⑤結(jié)構(gòu)簡單牢固，安裝方便，維護(hù)費(fèi)較低；
⑥應(yīng)用范圍廣泛，可適用液體、氣體和蒸汽。
渦街流量計(jì)的工作原理
在流體中設(shè)置旋渦發(fā)生體（阻流體），從旋渦發(fā)生體兩側(cè)交替地產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦，這種旋渦稱為卡曼渦街（見圖1），旋渦列在旋渦發(fā)生體下游非對稱地排列。根據(jù)卡曼渦街原理，有如下關(guān)系式：
式中，m為旋渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積與管道橫截面面積之比；d為表體通徑；d為旋渦發(fā)生體迎面寬度；f為旋渦的發(fā)生頻率；u1為旋渦發(fā)生體兩側(cè)平均流速；sr為斯特勞哈爾數(shù)；u為被測介質(zhì)流的平均速度。
管道內(nèi)體積流量qv為：
式中，k為流量計(jì)的儀表系數(shù)，單位為脈沖數(shù)/m3。
k除與旋渦發(fā)生體、管道的幾何尺寸有關(guān)外，還與斯特勞哈爾數(shù)有關(guān)。斯特勞哈爾數(shù)為無量綱參數(shù)，它與旋渦發(fā)生體形狀及雷諾數(shù)有關(guān)，圖2為圓柱狀旋渦發(fā)生體的斯特勞哈爾數(shù)與管道雷諾數(shù)的關(guān)系圖。由圖2可見，在red=2×104～7×106的范圍內(nèi)，sr可視為常數(shù)，這是儀表正常工作范圍。當(dāng)測量氣體流量時(shí)，渦街流量計(jì)的流量計(jì)算式為
式中，qvn、qv分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（0℃或20℃，101.325kpa）和工況下的體積流量；pn、p分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下和工況下的壓力；tn、t分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下和工況下的熱力學(xué)溫度；zn、z分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下和工況下氣體壓縮系數(shù)。
圖2斯特勞哈爾數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系曲線
由式（4）可見，渦街流量計(jì)輸出的脈沖頻率信號不受流體物性和組分變化的影響，即儀表系數(shù)在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)僅與旋渦發(fā)生體及管道的形狀尺寸等有關(guān)。但是在物料平衡及能源計(jì)量中需檢測質(zhì)量流量，這時(shí)流量計(jì)應(yīng)同時(shí)監(jiān)測體積流量和流體密度，流體物性和組分就會(huì)對流量計(jì)量產(chǎn)生直接影響。
渦街流量計(jì)由傳感器和轉(zhuǎn)換器兩部分組成，如圖3所示。傳感器包括旋渦發(fā)生體（阻流體）、檢測元件、儀表表體等；轉(zhuǎn)換器包括前置放大器、濾波整形電路、dac、輸出接口電路、端子、支架和防護(hù)罩等。近年來智能式流量計(jì)還把微處理器、顯示通信及其他功能模塊裝在轉(zhuǎn)換器內(nèi)。
圖3渦街流量計(jì)
在現(xiàn)場中的應(yīng)用
1、現(xiàn)場應(yīng)用
渦街流量計(jì)適用的流體比較廣泛，但不適用于低雷諾數(shù)（red≤2×104）流體。因?yàn)樵诘屠字Z數(shù)時(shí)，斯特勞哈爾數(shù)隨著雷諾數(shù)而變，儀表線性度變差。同時(shí)，含固體微粒的流體對旋渦發(fā)生體的沖刷會(huì)產(chǎn)生噪聲，其含有的短纖維若纏繞在旋渦發(fā)生體上將改變儀表系數(shù)。
渦街流量計(jì)在混相流體中的應(yīng)用如下：
①可用于含分散、均勻的微小氣泡，但容積含氣率應(yīng)小于7%～10%的氣、液兩相流，若容積含氣率超出2%就應(yīng)對儀表系數(shù)進(jìn)行修正。
②可用于含分散、均勻的固體微粒，含量不大于2%的氣固、液固兩相流。
③可用于互不溶解的液液（如油和水）兩組分流等。
脈動(dòng)流和旋轉(zhuǎn)流會(huì)對渦街流量計(jì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。如果脈動(dòng)頻率與渦街頻率頻帶合拍可能引起諧振，破壞正常工作和設(shè)備，使渦街信號產(chǎn)生“鎖定（lock-in）”現(xiàn)象，這時(shí)信號會(huì)固定于某一頻率。“鎖定”與脈動(dòng)幅值、旋渦發(fā)生體形狀及堵塞比等有關(guān)。
渦街流量計(jì)的度對于液體大致在±0.5%r～±2%r之間，對于氣體在±l%r～±2%r之間，重復(fù)性一般為0.2%～0.5%。由于渦街流量計(jì)的儀表系數(shù)較低，頻率分辨率低，口徑愈大精度愈低，故儀表口徑不宜過大（dn300以下）。
范圍度寬是渦街流量計(jì)的特點(diǎn)，但重要的一點(diǎn)是量程下限的流量數(shù)值。一般液體平均流速下限為0.5m/s，氣體為4～5m／s。渦街流量計(jì)的正常流量在正常測量范圍的1/2～2/3處。
渦街流量計(jì)的zui大優(yōu)點(diǎn)是儀表系數(shù)不受測量介質(zhì)物性的影響，可以由一種典型介質(zhì)推廣到其他介質(zhì)上。但由于液、氣的流速范圍差別很大，導(dǎo)致頻率范圍亦差別很大。處理渦街信號的放大器電路中，濾波器的通帶不同，電路參數(shù)亦不同，因此，同一電路參數(shù)不能用于測量不同介質(zhì)。
另外，氣體和液體的密度差別很大，而旋渦分離時(shí)產(chǎn)生的信號強(qiáng)度與密度成正比，因此信號強(qiáng)度差別亦很大。液、氣放大器電路的增益、觸發(fā)靈敏度等皆不相同，壓電電荷差別大，電荷放大器的參數(shù)也不相同。即使同為氣體（或液體、蒸汽），隨著介質(zhì)壓力、溫度、密度不同，使用的流量范圍不同，信號強(qiáng)度亦不同，電路參數(shù)同樣要改變。因此，一臺(tái)渦街流量計(jì)不經(jīng)硬件或軟件修改，改變使用介質(zhì)或改變儀表口徑是不可行的。
2、安裝注意事項(xiàng)
渦街流量計(jì)屬于對管道流速分布畸變、旋轉(zhuǎn)流和流動(dòng)脈動(dòng)等敏感的流量計(jì)，因此，對現(xiàn)場管道安裝條件應(yīng)充分重視，嚴(yán)格遵照使用說明書執(zhí)行。
渦街流量計(jì)可安裝在室內(nèi)或室外。如果安裝在地井里，為防止被水淹沒，應(yīng)選用涎水型傳感器。傳感器在管道上可以水平、垂直或傾斜安裝，但測量液體和氣體時(shí)為防止氣泡和液滴的干擾，要注意安裝位置（見圖4）。
圖4測量含液體和含氣液體的流量儀表安裝
渦街流量計(jì)必須保證上、下游直管段有必要的長度（見圖5）。
圖5渦街流量計(jì)對上、下游直管段長度的要求
在圖5中，a為一個(gè)90°彎頭，b為同心擴(kuò)管，c為同心收縮全開閥門，d為不同平面兩個(gè)90°彎頭，e為調(diào)節(jié)閥半開閥門，f為同一平面兩個(gè)90°彎頭。
圖6傳感器與管道的連接
傳感器與管道的連接如圖6所示，在與管道連接時(shí)要注意以下問題。
①上、下游配管內(nèi)徑d與傳感器內(nèi)徑d’相同，其差異滿足下述條件：0.95d≤d’≤1.1d；
②配管應(yīng)與傳感器同心，同軸度應(yīng)小于0.05d’；
③密封墊不能凸入管道內(nèi)，其內(nèi)徑可比傳感器內(nèi)徑大1～2mm；
④如需斷流檢查與清洗傳感器，應(yīng)設(shè)置旁通管道（見圖7）；
圖7旁通管道示意圖
⑤減小振動(dòng)對渦街流量計(jì)的影響應(yīng)該作為渦街流量計(jì)現(xiàn)場安裝的一個(gè)突出問題來關(guān)注。首先，在選擇傳感器安裝場所時(shí)盡量注意避開振動(dòng)源；其次，采用彈性軟管連接在小口徑中可以考慮；第三，加裝管道支撐物是有效的減振方法。
電氣安裝應(yīng)注意傳感器與轉(zhuǎn)換器之間采用屏蔽電纜或低噪聲電纜連接，其距離不應(yīng)超過使用說明書的規(guī)定。布線時(shí)應(yīng)遠(yuǎn)離強(qiáng)功率電源線，盡量用單獨(dú)金屬套管保護(hù)。應(yīng)遵循“一點(diǎn)接地”原則，接地電阻應(yīng)小于10ω。整體型和分離型都應(yīng)在傳感器側(cè)接地，轉(zhuǎn)換器外殼接地點(diǎn)應(yīng)與傳感器“同地”。
3、現(xiàn)場常見故障現(xiàn)象、原因及排除方法
渦街流量計(jì)有多種檢測方式，傳感器和測量電路差別也較大，但渦街流量計(jì)常見的故障有共性。
4、結(jié)語
在眾多的流量計(jì)中，渦街流量計(jì)的購置費(fèi)低于質(zhì)量式、電磁式、容積式等類型，而安裝、運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)低于節(jié)流式、容積式、渦輪式等類型，是一種經(jīng)濟(jì)性較好、比較實(shí)用的流量計(jì)。渦流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡單牢固，安裝維護(hù)方便，尤其適用于冶煉廠、化工廠、輸油管道等工業(yè)現(xiàn)場的使用。