智能渦街流量計(jì)的客戶化標(biāo)校

渦街流量計(jì)已經(jīng)廣泛用于鋼鐵、化工、冶金、食品、醫(yī)藥、市政等行業(yè)的氣體、液體及蒸汽的測(cè)量。因其優(yōu)異性能，渦街流量計(jì)正快速取代傳統(tǒng)的差壓式測(cè)量?jī)x表，成為設(shè)計(jì)及使用單位的實(shí)惠。渦街流量計(jì)在企業(yè)內(nèi)部、企業(yè)與企業(yè)間能源計(jì)量中應(yīng)用已經(jīng)十分普遍。作為能量計(jì)量?jī)x表，為準(zhǔn)確計(jì)量企業(yè)部門間能量的使用，核算企業(yè)間能量的交易，投入使用前及使用2年后必須經(jīng)過計(jì)量機(jī)構(gòu)檢測(cè)，取得檢測(cè)合格證后才能使用。因?yàn)槟壳皣鴥?nèi)渦街流量計(jì)生產(chǎn)廠家很多，不同廠家的產(chǎn)品在傳感器類型、標(biāo)校方法等方面有很多不同，所以產(chǎn)品不可避免地與計(jì)量機(jī)構(gòu)檢定結(jié)果、用戶現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)存在偏差。如何通過儀表的現(xiàn)場(chǎng)線性修正，實(shí)現(xiàn)儀表檢定結(jié)果符合計(jì)量機(jī)構(gòu)檢測(cè)要求或與用戶標(biāo)準(zhǔn)表相符，需要有效辦法解決。這里通過對(duì)渦街流量計(jì)原理及標(biāo)校方法介紹，影響渦街流量計(jì)精度原因分析，介紹一種實(shí)用的線性修正方法。運(yùn)用這一計(jì)算公式及修正方法，無論傳感器類型如何，通過渦街流量計(jì)轉(zhuǎn)換器軟件設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)客戶化調(diào)校。

0.引言

空氣吹過煙囪，河水流過橋墩會(huì)在煙囪、橋墩后產(chǎn)生漩渦。漩渦會(huì)引起震動(dòng)，空氣與河水的震動(dòng)可能引起煙囪、橋墩的共振，造成煙囪斷裂、橋墩倒塌，給人們的生產(chǎn)、生活帶來巨大的損失。這就是卡門渦街在自然界的存在。美籍匈牙利科學(xué)家馮 . 卡門（Karman）1906 在德國哥廷根大學(xué)做助教期間，協(xié)助德國普朗特教授做哈依門茲水槽試

驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)水流流過水槽的圓柱體后，在圓柱體后邊產(chǎn)生兩列規(guī)律性的漩渦，渦街是反對(duì)稱的，渦系的動(dòng)量與阻力有關(guān)。因?yàn)榭ㄩT對(duì)這一自然現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)及深入研究，人們將上述漩渦現(xiàn)象定義為卡門渦街。

卡門渦街不都是巨大的破壞力，人們利用卡門渦街的規(guī)律性，研究制造了渦街流量計(jì)。渦街流量計(jì)主要應(yīng)用于封閉管道流量的測(cè)量，可以測(cè)量氣體、液體及蒸汽。渦街流量計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊、無可動(dòng)部件、壓損小、量程比寬、精度高、安裝簡(jiǎn)易、維護(hù)量低，正逐步取代傳統(tǒng)的差壓式流量計(jì)和容積式儀表，成為市場(chǎng)的主要流量測(cè)量?jī)x表。

渦街流量計(jì)由傳感器和轉(zhuǎn)換器組成，傳感器可以選擇壓電應(yīng)力式、電容式、光纖式等多種傳感器。壓電應(yīng)力式渦街傳感器應(yīng)用是***多的，技術(shù)成熟度、產(chǎn)品穩(wěn)定性也是***高的。該種傳感器可在 -20℃～ +250℃的介質(zhì)溫度范圍內(nèi)工作，可以輸出模擬量信號(hào)，也可以輸出脈沖信號(hào)。經(jīng)過渦街轉(zhuǎn)換器做信號(hào)處理，產(chǎn)品可以輸出標(biāo)準(zhǔn)的 4 ～ 20mA 信號(hào)和脈沖信號(hào)，部分廠家產(chǎn)品還可以帶 FF 總線或 PA 總線輸出，也有帶 RS485 接口的產(chǎn)品。通過這些輸出信號(hào)可以和 PLC 或 DCS 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。帶 RS485 接口的產(chǎn)品還可以配合無線傳輸設(shè)備，實(shí)現(xiàn)儀表數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無線傳輸管理，為用戶帶來極大地便捷。

1 渦街流量計(jì)的工作原理、渦街流量計(jì)分類及溫壓補(bǔ)償渦街的發(fā)展

1.1 渦街流量計(jì)原理

渦街流量計(jì)又被稱為卡門渦街流量計(jì)、漩渦流量計(jì)，是應(yīng)用卡門渦街原理制造的一種流量測(cè)量?jī)x表。儀表測(cè)量管里安裝一個(gè)發(fā)生體，當(dāng)介質(zhì)流過發(fā)生體，會(huì)在發(fā)生體后產(chǎn)生漩渦，漩渦的頻率 f 和介質(zhì)的流速 v 成正比，通過對(duì)頻率的檢測(cè)，達(dá)到測(cè)量流速的目的。渦街流量計(jì)原理圖，如圖 1 所示。

Re>2*104 <7*106 時(shí)，可認(rèn)為一個(gè)固定的常數(shù)。因此，通過檢測(cè)頻率 f，就可以檢測(cè)到流速 v，流速 v 檢測(cè)到后，就可以通過公式計(jì)算介質(zhì)體積流量或質(zhì)量流量了。

體積流量計(jì)算公式：q=v*A（q:體積流量、A管道截面積）

質(zhì)量流量計(jì)算公式： Q=3600*v*A*ρ（Q：質(zhì)量流量； ρ: 介質(zhì)密度）

1.2 渦街流量計(jì)分類

按照與管道連接形式，可分為法蘭型、夾持型或插入型。按傳感器測(cè)量原件種類分熱敏式、應(yīng)力式、電容式、

應(yīng)變式、超聲式、振動(dòng)體式、光電式和光纖式。

按防爆類型分非防爆型、本安型、隔爆型、復(fù)合防爆型等。

目前國內(nèi)外應(yīng)用***多的是應(yīng)力式、管道連接的渦街流量計(jì)。

1.3 溫壓補(bǔ)償渦街流量計(jì)的發(fā)展

渦街流量計(jì)原理介紹當(dāng)中渦街流量計(jì)可以測(cè)量介質(zhì)的質(zhì)量流量，對(duì)于液體介質(zhì)或密度變化不大的介質(zhì)，渦街流量計(jì)計(jì)算出的質(zhì)量流量精度高。但是在實(shí)際使用中，特別是氣體或蒸汽的測(cè)量，由于工況溫度、壓力的波動(dòng)，造成介質(zhì)密度波動(dòng)大，所以渦街流量計(jì)測(cè)量的質(zhì)量流量誤差就大。由此可見，對(duì)渦街流量計(jì)所測(cè)量的介質(zhì)密度在線修正很有必要。這就要求渦街流量計(jì)要集成溫度、壓力信號(hào)，在線進(jìn)行溫度及壓力的修正，保證質(zhì)量流量輸出的精度。溫度、壓力及流量集成到 1 臺(tái)儀表上的一體化結(jié)構(gòu)是***優(yōu)的選擇。目前國外部分廠家，國內(nèi)少數(shù)廠家能夠生產(chǎn)一體化帶溫度及壓力補(bǔ)償?shù)臏u街流量計(jì)。工藝管道上外配溫度傳感器和壓力傳感器，把溫度及壓力信號(hào)傳輸?shù)搅髁坑?jì)算機(jī)得到的質(zhì)量流量在系統(tǒng)精度上要低于一體化溫壓補(bǔ)償渦街流量計(jì) [3]。一體化溫壓補(bǔ)償渦街流量計(jì)是今后渦街流量計(jì)的一個(gè)發(fā)展方向。一體化溫壓補(bǔ)償渦街流量計(jì)原理圖，如圖 2 所示。

2.渦街流量計(jì)的標(biāo)定、檢定方法

渦街流量的制造及檢定單位大部分采用標(biāo)準(zhǔn)表法進(jìn)行標(biāo)校和檢定。標(biāo)準(zhǔn)表法就是用渦輪流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)、音速噴嘴等作為標(biāo)準(zhǔn)表，把被檢測(cè)的儀表串聯(lián)到檢測(cè)裝置上，通過標(biāo)準(zhǔn)表來標(biāo)校、檢定被測(cè)量?jī)x表，通過比較被測(cè)儀表與標(biāo)準(zhǔn)表的讀數(shù)，求得被測(cè)量?jī)x表的偏差，然后進(jìn)行調(diào)校。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)表法標(biāo)校裝置的優(yōu)點(diǎn)

標(biāo)準(zhǔn)表法裝置體積小、重量輕、構(gòu)造簡(jiǎn)單、操作方便、制造及維護(hù)成本低。

標(biāo)準(zhǔn)表法裝置可以用來標(biāo)校液體或氣體介質(zhì)的流量。

標(biāo)準(zhǔn)表的流量計(jì)與被檢流量計(jì)串聯(lián)安裝于同一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)中，標(biāo)準(zhǔn)表和被測(cè)量?jī)x表間距離小、時(shí)間誤差可以忽略。

標(biāo)準(zhǔn)表選擇種類很多，可以選擇電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)等，選擇空間大。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)表法標(biāo)校裝置的缺點(diǎn)

標(biāo)準(zhǔn)表需要嚴(yán)格按照計(jì)量部門要求定期做檢查，只有合格了才能夠用于檢測(cè)；企業(yè)自身也要不定期進(jìn)行自檢，保證標(biāo)準(zhǔn)表及裝置使用過程中的性能。

標(biāo)準(zhǔn)表法標(biāo)校裝置在標(biāo)校儀表的過程中要對(duì)標(biāo)校介質(zhì)進(jìn)行溫度及壓力修正，保證標(biāo)校精度。

標(biāo)準(zhǔn)表法裝置系統(tǒng)精度受標(biāo)準(zhǔn)表精度的影響大。

3.影響渦街流量計(jì)使用精度的因素

渦街流量計(jì)自身傳感器及轉(zhuǎn)換器性能決定了這款產(chǎn)品的性能，然而儀表安裝使用因素也會(huì)影響儀表的性能，為保證渦街流量計(jì)精度，安裝使用有如下要求。

渦街流量計(jì)建議安裝到水平或垂直管道，并保證管道充滿介質(zhì)。

渦街流量計(jì)對(duì)前后直管段要求較高，一般要求大于20D，后 5D（D 管道口徑）。

渦街流量計(jì)盡量避免安裝在有強(qiáng)烈震動(dòng)的地方，盡量遠(yuǎn)離泵與閥門，必要時(shí)做適當(dāng)?shù)墓艿乐巍?/p>

渦街流量計(jì)安裝位置要遠(yuǎn)離強(qiáng)磁場(chǎng)或強(qiáng)電場(chǎng)的干擾。

保證渦街流量計(jì)漩渦發(fā)生體處于迎流面。

渦街流量計(jì)轉(zhuǎn)換器使用環(huán)境溫度一般為 -40℃～ 85℃，根據(jù)實(shí)際情況配保溫箱或遮陽罩。

渦街流量計(jì)安裝示意圖 ，如圖 3 所示。

4.渦街流量計(jì)的客戶化調(diào)校

由于渦街流量計(jì)測(cè)量原理、傳感器類型、標(biāo)定裝置、安裝使用等原因，渦街流量計(jì)在出廠到達(dá)用戶現(xiàn)場(chǎng)或計(jì)量站時(shí)，出廠的標(biāo)校精度可能會(huì)與用戶現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)表或計(jì)量檢定結(jié)果發(fā)生產(chǎn)生偏差，這時(shí)就要對(duì)儀表系數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整，以滿足用戶或計(jì)量機(jī)構(gòu)的檢定要求?？蛻艋{(diào)校有如下 2 種情況：

1 ）儀表整體的正偏差或負(fù)偏差。如果儀表出現(xiàn)整體正偏差或負(fù)偏差，只要調(diào)整儀表系數(shù)就可以了。公式如下：

Knew ＝ Kold×(Q 儀表顯示流量 )/(Q 標(biāo)準(zhǔn)流量 )

2 ）儀表非線性超差。非線性超差是指一臺(tái)渦街流量計(jì)在不同流速下的誤差有正有負(fù)，并且達(dá)不到精度要求。出現(xiàn)此問題的主要原因可能是儀表口徑與檢定時(shí)的管段口徑有差異，或是檢定時(shí)的雷諾數(shù)和廠家標(biāo)定時(shí)的雷諾數(shù)有很大差異造成的。

目前渦街流量計(jì)生產(chǎn)廠家可以根據(jù)用戶需求提供歐標(biāo)、美標(biāo)或是日標(biāo)法蘭連接法蘭儀表。同樣法蘭標(biāo)準(zhǔn)，相同口徑、相同壓力等級(jí)，不同品牌的渦街流量計(jì)產(chǎn)品法蘭內(nèi)孔尺寸是有差別的。儀表內(nèi)孔和連接管道內(nèi)孔有微小的差別，可以引起儀表非線性誤差，這種情況是***多的。

造成廠家標(biāo)定時(shí)的雷諾數(shù)和檢定時(shí)的雷諾數(shù)不同的主要原因是：大多數(shù)渦街流量計(jì)的制造廠都是用水作為標(biāo)校介質(zhì)來進(jìn)行標(biāo)定。渦街流量計(jì)的原理告訴人們無論介質(zhì)是什么，對(duì)同一臺(tái)儀表來說，在單位工況流量體積下產(chǎn)生的脈沖數(shù)是一個(gè)常數(shù)，即儀表系數(shù) K。因?yàn)闇u街流量計(jì)的這個(gè)優(yōu)點(diǎn)，用水標(biāo)定的渦街流量計(jì)可以用于測(cè)量氣體或蒸汽，但這個(gè)應(yīng)用前提是要雷諾數(shù)大于 20000才能保證精度。有些時(shí)候，儀表在用戶現(xiàn)場(chǎng)或計(jì)量站檢定時(shí)，雷諾數(shù)小于20000，導(dǎo)致儀表不滿足精度要求。這種情況產(chǎn)生的非線性誤差較小，但也偶見。

上述 2 種情況不可避免，儀表制造廠不能因?yàn)樽约簝x表內(nèi)徑原因，要求用戶改管道或因?yàn)槔字Z數(shù)低就要求用戶更換儀表，可以采用多點(diǎn)非線性修正，達(dá)到滿足用戶使用的要求。這里介紹一種有效的方法，實(shí)現(xiàn)這一目的。具體說就是把測(cè)量范圍分段，取一個(gè)儀表常數(shù)，讓每段測(cè)量范圍都符合精度要求，這種方法實(shí)現(xiàn)的過程要考慮雷諾數(shù)的影響。下面是計(jì)算模型。

通過上述 6 步計(jì)算，可實(shí)現(xiàn)儀表的非線性修正。利用上述計(jì)算結(jié)果，通過 Hart 手操器或儀表按鍵，把修正參數(shù)輸入儀表轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器就可以將原本非線性的曲線重新線性化，達(dá)到校正目的。轉(zhuǎn)換器該功能的實(shí)現(xiàn)要通過前期轉(zhuǎn)換器軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。這樣通過線性及非線性修正，就可實(shí)現(xiàn)客戶化的調(diào)校，滿足用戶需求。

5.結(jié)束語

渦街流量計(jì)是一款好產(chǎn)品，國外的設(shè)計(jì)規(guī)范已經(jīng)把渦街流量計(jì)放到了差壓式流量?jī)x表選型之前，作為小管徑（<DN300）、氣體、液體、蒸汽流量測(cè)量的實(shí)惠。隨著國內(nèi)合資產(chǎn)品、民族品牌產(chǎn)品的性能完善與提高，渦街流量計(jì)在中國市場(chǎng)會(huì)有大的發(fā)展。