摘要：渦街流量計(jì)是石油化工裝置中十分常用的一種流量測量儀表，但渦街流量計(jì)實(shí)際使用中的測量效果常常不盡如人意，筆者根據(jù)多年的渦街流量設(shè)計(jì)及使用經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目中出現(xiàn)的問題及失誤情況，對(duì)渦街流量計(jì)的選型及使用中特殊性進(jìn)行梳理與論證，針對(duì)渦街流量計(jì)的固有特性及測量上下限的特殊性進(jìn)行分析，指明渦街流量計(jì)特有的應(yīng)用注意事項(xiàng)。

渦街流量計(jì)是石油化工裝置中十分常用的一種流量測量儀表，可以用于測量工藝管道中各類氣體、液體、蒸汽介質(zhì)流量。因其量程范圍大，測量精度高，無可動(dòng)機(jī)械零件，可靠性高，維護(hù)量小等優(yōu)點(diǎn)得到了設(shè)計(jì)單位及用戶的廣泛認(rèn)可。但在渦街流量計(jì)的設(shè)計(jì)選型及使用過程中，往往會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問題從而導(dǎo)致實(shí)際的使用及測量效果不盡如人意，出現(xiàn)這些問題的主要原因絕大部分都是由于設(shè)計(jì)選型或安裝施工過程中沒有充分考慮到渦街流量計(jì)的特殊性造成的。

1、渦街流量計(jì)的測量原理

在流通的管道內(nèi)設(shè)置適當(dāng)形態(tài)、尺寸的非流線型柱體，即渦街發(fā)生體，在流體流通過渦街發(fā)生體時(shí)，會(huì)在發(fā)生體兩側(cè)交替產(chǎn)生漩渦，漩渦脫落并向下游傳播，形成形似交叉排列街燈的漩渦列，這種現(xiàn)象被稱作卡門渦街。

單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的漩渦數(shù)量即為渦街頻率，此頻率與流速成線性正比關(guān)系，渦街流量計(jì)正是利用卡門渦街的這種特性，通過測量管道內(nèi)渦街發(fā)生體后的渦街頻率，計(jì)算出管道內(nèi)介質(zhì)的流速從而達(dá)到測量流量的目的。

工況體積流量由下式給出：Qv=3600×（f/K）

式中，Qv為工況體積流量(m³/h)；f為渦街頻率(Hz)；k為渦街流量計(jì)儀表系數(shù)，K=St/（A×d），其中：St為斯特羅哈爾數(shù)，在渦街流量計(jì)標(biāo)稱測量范圍之內(nèi)，可被作與流體特性無關(guān)，A為流量計(jì)流通管橫截面積，d為渦街發(fā)生體迎流面寬度。

2、關(guān)鍵測量元件

為了準(zhǔn)確測量渦街頻率，測量元件材質(zhì)及形式的選擇就變得尤為重要。由于工業(yè)領(lǐng)域的流體，固有的臟污、含雜質(zhì)、高溫/低溫、高壓、腐蝕等特征，曾經(jīng)出現(xiàn)過的熱敏、磁敏、激光尾流、超聲尾流等種類繁多的漩渦探測方式已消失不見，通過感測漩渦橫向升力識(shí)別漩渦的力敏檢測方式成為渦街流量計(jì)制造商的一致選擇，其中，采用壓電晶體敏感元件的應(yīng)力式渦街傳感器為絕大多數(shù)制造商使用，直接原因在于，漩渦升力與流量平方成正比，同時(shí)與流體工況密度成正比，為實(shí)現(xiàn)20:1的量程比，保證出現(xiàn)渦街的必要性，傳感器必須在足夠厚度/強(qiáng)度的耐腐蝕金屬包裹之下，同時(shí)為應(yīng)對(duì)低密度/低壓氣體流量測量，傳感器必須具備堪比麥克風(fēng)的*高靈敏度;而為應(yīng)對(duì)蒸汽，液體介質(zhì)的強(qiáng)大漩渦升力，則需可長期承受強(qiáng)如鐵錘重?fù)舭愕目量讨剌d，顯然，應(yīng)力式傳感器更為適宜。

對(duì)比制造商樣本資料，即可發(fā)現(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)10：1以上的量程比的渦街流量計(jì)基本均采用應(yīng)力式(壓電晶體)傳感器。

3、流量計(jì)的固有特性

(1)由原理可以得出：渦街流量計(jì)測量的是工況體積流量，產(chǎn)品銘*給出K系數(shù)含義是：K個(gè)漩渦=1m³，渦街流量計(jì)原始信號(hào)與輸出信號(hào)之間為簡單的線性正比關(guān)系，不可因慣用差壓類流量計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行開方運(yùn)算；

(2)渦街流量計(jì)通過對(duì)于所產(chǎn)生漩渦數(shù)量的累計(jì)計(jì)數(shù)得到累計(jì)流量，通過計(jì)數(shù)單位時(shí)間之內(nèi)的漩渦個(gè)數(shù)得到瞬時(shí)流量。測量的難題主要表現(xiàn)為：在復(fù)雜因素(或工況)干擾下，正確判定漩渦的有/無；

(3)渦街流量計(jì)在檢測流量時(shí)，*要的是判斷漩渦的有無，即生成數(shù)字信號(hào)的“1”、“0”，進(jìn)而計(jì)數(shù)得到流量，因此，渦街流量計(jì)本質(zhì)上為數(shù)字測量原理，由此呈現(xiàn)出與常用的其它模擬原理流量計(jì)大相徑庭的特征：

①如能正確識(shí)別漩渦的有/無，則表現(xiàn)出優(yōu)異的測量精度；

②如果在判斷漩渦有/無時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)亂，則呈現(xiàn)無法接受的巨大誤差，甚至于不能正確反映信號(hào)變化趨勢。

對(duì)比熟知的模擬類流量儀表如差壓類、電磁類等等，是以信號(hào)強(qiáng)弱測得流量大小，而渦街流量計(jì)卻是以信號(hào)頻率的高低測得流量大小。因此，干擾對(duì)于模擬類流量儀表流量示值的影響往往取決于干擾的強(qiáng)度，在流量低于下限時(shí)，更多的表現(xiàn)為精度超差，但可反映流量變化趨勢。并且，干擾信號(hào)的頻率通常與模擬類流量計(jì)的信號(hào)差異明顯，簡單的濾波就可以有效降低干擾信號(hào)幅度，從而抑制干擾的影響。

4、渦街流量計(jì)選型的特殊性

渦街流量計(jì)的選型與其他流量計(jì)選型一樣，*先面臨的問題是口徑規(guī)格的選擇，選擇依據(jù)是根據(jù)工藝要求的測量范圍，對(duì)比各口徑規(guī)格渦街流量計(jì)的測量范圍下限及上限，確定適當(dāng)?shù)囊?guī)格。但須注意的是：渦街上/下限，因原理的特殊性，必須謹(jǐn)慎考量，工程實(shí)踐足以證明：大多數(shù)的渦街運(yùn)行不良、測量失敗，來源于測量上/下限的重視不足，甚至理解偏差。渦街流量計(jì)是對(duì)于流暢畸變、旋轉(zhuǎn)流等較敏感的流量計(jì)，應(yīng)有足夠長度的直管段或裝設(shè)流動(dòng)調(diào)整器才能保證測量精度。

(1)渦街流量計(jì)的測量下限的特殊性

渦街流量計(jì)的測量下限不是定值，即使同一臺(tái)渦街流量計(jì)，測量相同狀態(tài)流體時(shí)，流量測量下限根據(jù)工況不同也可能產(chǎn)生變化。流量低于下限時(shí)，*好的情況只能是示值為零，不能反映流量趨勢。渦街流量計(jì)的測量下限，由雷諾數(shù)、流體工況密度、傳感器及信號(hào)處理系統(tǒng)的增益(放大倍率)信號(hào)處理系統(tǒng)的低端頻響，渦街流量計(jì)的抗干擾能力、現(xiàn)場干擾強(qiáng)度等因素共同制約，因而變化范圍很大，不能簡單的查詢、引用產(chǎn)品樣本給出的下限數(shù)據(jù)。正確的做法是：針對(duì)上述所有因素，分別計(jì)算或查詢出各自限定的流量測量下限，取*高值，作為產(chǎn)品實(shí)際下限。

渦街流量計(jì)產(chǎn)生漩渦的橫向升力與流量的平方成正比，同時(shí)與流體密度成正比，因此，在流量減小時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度以二階關(guān)系急劇下降，在小流量時(shí)，渦街信號(hào)容易降至與信號(hào)強(qiáng)度相當(dāng)，甚至湮沒在干擾之中，無法正確識(shí)別漩渦的有無，致使錯(cuò)誤地的將干擾識(shí)別為漩渦。所產(chǎn)生的誤差，并非如模擬式流量計(jì)般，取決于干擾的幅度，而是干擾的頻率，由此，在干擾頻率與渦街頻率差異大時(shí)，即使信噪比不低，也可產(chǎn)生*大誤差，為此，渦街流量計(jì)必須在信號(hào)處理中設(shè)定一個(gè)信號(hào)識(shí)別的強(qiáng)度下限，將強(qiáng)度低于下限的干擾及流量一并舍棄，盡量避免將強(qiáng)度不大、而頻率不低的干擾信號(hào)誤認(rèn)為渦街信號(hào)，以免差生*大誤差。因此渦街流量計(jì)的測量下限受干擾影響*大，低于下限的流量無法給出有意義的示值。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，在眾多影響渦街測量下限的因素中，渦街流量計(jì)的抗干擾能力，以及現(xiàn)場干擾強(qiáng)度是決定渦街流量計(jì)測量下限的主要因素，眾所周知的“渦街怕振動(dòng)”，實(shí)際原因就是：欲測流量已經(jīng)低于渦街流量計(jì)在現(xiàn)場振動(dòng)干擾下的實(shí)際測量下限，反之，只要流量夠大，超過測量下限，是不存在“渦街怕振”這種說法的。由于漩渦升力與流量之間成二階正比關(guān)系，在流量減小時(shí)，渦街信號(hào)急劇減弱，而渦街原理是通過正確識(shí)別漩渦的有/無，進(jìn)而計(jì)數(shù)單位時(shí)間內(nèi)漩渦個(gè)數(shù)(即渦街頻率)得出流量，干擾對(duì)于渦街產(chǎn)生作用并非如其他儀表一般，作用于信號(hào)幅度，引發(fā)與干擾強(qiáng)度成正比的誤差，而是以干擾頻率影響渦街頻率的識(shí)別，產(chǎn)生的誤差主要源于渦街信號(hào)與干擾信號(hào)的頻率差值，即使微弱的干擾，因頻率差異，也可導(dǎo)致難以接受的而巨大誤差，因此，渦街流量計(jì)必須按干擾信號(hào)幅度設(shè)置取舍門限，舍棄幅度低于門限的信號(hào)，只對(duì)高于門限的信號(hào)進(jìn)行漩渦的識(shí)別處理，由此防止誤將干擾頻率認(rèn)作渦街頻率，從而實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)穩(wěn)定。在此，需清晰認(rèn)識(shí)的是，流量越小，信號(hào)越弱，舍棄門限越高，意味著舍棄的流量越高，這正是干擾造就測量下限的原因。

在現(xiàn)場常見需調(diào)整渦街流量計(jì)的靈敏度，實(shí)質(zhì)就是調(diào)整信號(hào)的取/舍門限，可以清晰的看到，調(diào)高靈敏度即降低信號(hào)幅度的取舍門限，流量計(jì)的測量下限即可下延，但在更多情況之下，則是為了實(shí)現(xiàn)無流量時(shí)，示值為零，須降低靈敏度，即提升舍棄門限，流量測量下限隨之上升，甚至超過欲測流量，導(dǎo)致測量失敗。

渦街流量計(jì)對(duì)抗干擾的這種機(jī)理，意味著當(dāng)流量低于測量下限時(shí)，其他模擬原理流量計(jì)(如差壓類流量計(jì)、電磁流量計(jì)、科氏力質(zhì)量流量計(jì)、熱式質(zhì)量流量計(jì)、超聲波流量計(jì)等)一般表現(xiàn)為誤差超標(biāo)，但依舊能反映流量變化趨勢，而此時(shí)，渦街流量計(jì)的*好表現(xiàn)為示值為零，否則只會(huì)給出凌亂無章的示值。針對(duì)渦街的這一特征，在選型時(shí)，須充分估計(jì)到工藝提供準(zhǔn)確*小流量的難度，預(yù)留足夠低的測量下限，在合理的范圍內(nèi)盡量擴(kuò)大流量計(jì)測量下限與工藝介質(zhì)*小流量之間的緩沖區(qū)域，可以*大的提高渦街流量計(jì)在震動(dòng)工況中的可用性。

(2)渦街流量計(jì)的測量上限的特殊性

流量超過上限，誤差超乎想象。更大的危害是：傳感器/發(fā)生體斷裂，威脅下游設(shè)備的安全。渦街流量計(jì)的測量上限，受信號(hào)處理系統(tǒng)的高端頻響特征、傳感器/渦街發(fā)生體的抗載能力等因素限制，制造商在樣本之中，普遍給出氣體、蒸汽、液體三類流體的*高可測流速上限，乘以流通管橫截面積，即可核算為工況體積流量上限，進(jìn)一步可核算為所需的標(biāo)況體積，質(zhì)量流量上限。

對(duì)于渦街流量計(jì)的測量上限，源于其原理的特殊性，以下兩點(diǎn)宜謹(jǐn)慎考量：超限倒走現(xiàn)象與傳感器/渦街發(fā)生體斷裂現(xiàn)象。

通常情況之下，流量越大，渦街的穩(wěn)定性越差，在超出上限流量時(shí)，信號(hào)處理系統(tǒng)的高端頻響限制，將進(jìn)一步擴(kuò)大不穩(wěn)定度，使得漏計(jì)漩渦的比例隨流量升高急劇上升，現(xiàn)場表現(xiàn)為：流量越大，指示越小的特有“倒走”現(xiàn)象，測量誤差超出百分之?dāng)?shù)十、甚至數(shù)百，有些制造商在產(chǎn)品樣本中聲明：采取特殊算法，消除這種“倒走”現(xiàn)象，使得超限后，如其他流量計(jì)般維持為上限示值，可減小“倒走”帶來的誤差，但應(yīng)該注意的是，這一做法，也使現(xiàn)場判定超限更加困難，且能產(chǎn)生下述風(fēng)險(xiǎn)：

由于傳感器受到的漩渦升力與流量的平方成正比，在流量超出上限時(shí)，可能因過載損傷傳感器，對(duì)于非應(yīng)力式(壓電晶體)傳感器尤為嚴(yán)重，更強(qiáng)的破壞作用源于：渦街信號(hào)基頻、諧波頻率升高到傳感器/渦街發(fā)生體的自有共振頻率，致使其共振斷裂，斷裂部件高速撞向下游設(shè)備，可能造成重大損失。渦街流量計(jì)所產(chǎn)生的漩渦頻率與口徑規(guī)格呈反比，因此，口徑越小，渦街頻率越高，漩渦傳感器產(chǎn)生共振的機(jī)率越大，共振斷裂的風(fēng)險(xiǎn)越大。在高流速的蒸汽流量測量中，出現(xiàn)傳感器斷裂的案例更為多見。一些產(chǎn)品將渦街發(fā)生體與漩渦傳感器合并一體，即：將壓電晶體封裝在渦街發(fā)生體之中，這種結(jié)構(gòu)的渦街發(fā)生體須設(shè)計(jì)為懸臂梁或絞支梁結(jié)構(gòu)，在液體流量超限或是水錘作用、異物撞擊下，也易產(chǎn)生渦街發(fā)生體斷裂現(xiàn)象，需謹(jǐn)慎對(duì)待。

5、結(jié)束語

渦街流量計(jì)作為公認(rèn)的未來主流流量計(jì)之一，更多承擔(dān)氣體及低粘度液體的流量測量，應(yīng)用面快速增長。但必須看到的是:基于當(dāng)前技術(shù)水平，市場上的產(chǎn)品距離充分展現(xiàn)渦街原理優(yōu)勢，還存在很大差距，產(chǎn)品間的性能差異明顯大于其他儀表，在選用時(shí)需謹(jǐn)慎甄別。因此，只有對(duì)渦街固有特征認(rèn)識(shí)清晰，才能獲得良好的應(yīng)用效果。