智能渦街流量計的客戶化標校

渦街流量計已經(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、液體及蒸汽的測量。因其優(yōu)異性能，渦街流量計正快速取代傳統(tǒng)的差壓式測量儀表，成為設計及使用單位的實惠。渦街流量計在企業(yè)內(nèi)部、企業(yè)與企業(yè)間能源計量中應用已經(jīng)十分普遍。作為能量計量儀表，為準確計量企業(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)過計量機構(gòu)檢測，取得檢測合格證后才能使用。因為目前國內(nèi)渦街流量計生產(chǎn)廠家很多，不同廠家的產(chǎn)品在傳感器類型、標校方法等方面有很多不同，所以產(chǎn)品不可避免地與計量機構(gòu)檢定結(jié)果、用戶現(xiàn)場標準表讀數(shù)存在偏差。如何通過儀表的現(xiàn)場線性修正，實現(xiàn)儀表檢定結(jié)果符合計量機構(gòu)檢測要求或與用戶標準表相符，需要有效辦法解決。這里通過對渦街流量計原理及標校方法介紹，影響渦街流量計精度原因分析，介紹一種實用的線性修正方法。運用這一計算公式及修正方法，無論傳感器類型如何，通過渦街流量計轉(zhuǎn)換器軟件設計，可實現(xiàn)客戶化調(diào)校。

0.引言

空氣吹過煙囪，河水流過橋墩會在煙囪、橋墩后產(chǎn)生漩渦。漩渦會引起震動，空氣與河水的震動可能引起煙囪、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。美籍匈牙利科學家馮 . 卡門（Karman）1906 在德國哥廷根大學做助教期間，協(xié)助德國普朗特教授做哈依門茲水槽試

驗時，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，渦街是反對稱的，渦系的動量與阻力有關。因為卡門對這一自然現(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。渦街流量計主要應用于封閉管道流量的測量，可以測量氣體、液體及蒸汽。渦街流量計結(jié)構(gòu)緊湊、無可動部件、壓損小、量程比寬、精度高、安裝簡易、維護量低，正逐步取代傳統(tǒng)的差壓式流量計和容積式儀表，成為市場的主要流量測量儀表。

渦街流量計由傳感器和轉(zhuǎn)換器組成，傳感器可以選擇壓電應力式、電容式、光纖式等多種傳感器。壓電應力式渦街傳感器應用是***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，也可以輸出脈沖信號。經(jīng)過渦街轉(zhuǎn)換器做信號處理，產(chǎn)品可以輸出標準的 4 ～ 20mA 信號和脈沖信號，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。通過這些輸出信號可以和 PLC 或 DCS 系統(tǒng)實現(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備，實現(xiàn)儀表數(shù)據(jù)的遠程無線傳輸管理，為用戶帶來極大地便捷。

1 渦街流量計的工作原理、渦街流量計分類及溫壓補償渦街的發(fā)展

1.1 渦街流量計原理

渦街流量計又被稱為卡門渦街流量計、漩渦流量計，是應用卡門渦街原理制造的一種流量測量儀表。儀表測量管里安裝一個發(fā)生體，當介質(zhì)流過發(fā)生體，會在發(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，通過對頻率的檢測，達到測量流速的目的。渦街流量計原理圖，如圖 1 所示。

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

體積流量計算公式：q=v*A（q:體積流量、A管道截面積）

質(zhì)量流量計算公式： 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。按傳感器測量原件種類分熱敏式、應力式、電容式、

應變式、超聲式、振動體式、光電式和光纖式。

按防爆類型分非防爆型、本安型、隔爆型、復合防爆型等。

目前國內(nèi)外應用***多的是應力式、管道連接的渦街流量計。

1.3 溫壓補償渦街流量計的發(fā)展

渦街流量計原理介紹當中渦街流量計可以測量介質(zhì)的質(zhì)量流量，對于液體介質(zhì)或密度變化不大的介質(zhì)，渦街流量計計算出的質(zhì)量流量精度高。但是在實際使用中，特別是氣體或蒸汽的測量，由于工況溫度、壓力的波動，造成介質(zhì)密度波動大，所以渦街流量計測量的質(zhì)量流量誤差就大。由此可見，對渦街流量計所測量的介質(zhì)密度在線修正很有必要。這就要求渦街流量計要集成溫度、壓力信號，在線進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償?shù)臏u街流量計。工藝管道上外配溫度傳感器和壓力傳感器，把溫度及壓力信號傳輸?shù)搅髁坑嬎銠C得到的質(zhì)量流量在系統(tǒng)精度上要低于一體化溫壓補償渦街流量計 [3]。一體化溫壓補償渦街流量計是今后渦街流量計的一個發(fā)展方向。一體化溫壓補償渦街流量計原理圖，如圖 2 所示。

2.渦街流量計的標定、檢定方法

渦街流量的制造及檢定單位大部分采用標準表法進行標校和檢定。標準表法就是用渦輪流量計、質(zhì)量流量計、音速噴嘴等作為標準表，把被檢測的儀表串聯(lián)到檢測裝置上，通過標準表來標校、檢定被測量儀表，通過比較被測儀表與標準表的讀數(shù)，求得被測量儀表的偏差，然后進行調(diào)校。

2.1 標準表法標校裝置的優(yōu)點

標準表法裝置體積小、重量輕、構(gòu)造簡單、操作方便、制造及維護成本低。

標準表法裝置可以用來標校液體或氣體介質(zhì)的流量。

標準表的流量計與被檢流量計串聯(lián)安裝于同一個測量系統(tǒng)中，標準表和被測量儀表間距離小、時間誤差可以忽略。

標準表選擇種類很多，可以選擇電磁流量計、超聲波流量計、渦輪流量計、質(zhì)量流量計等，選擇空間大。

2.2 標準表法標校裝置的缺點

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

標準表法標校裝置在標校儀表的過程中要對標校介質(zhì)進行溫度及壓力修正，保證標校精度。

標準表法裝置系統(tǒng)精度受標準表精度的影響大。

3.影響渦街流量計使用精度的因素

渦街流量計自身傳感器及轉(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影響儀表的性能，為保證渦街流量計精度，安裝使用有如下要求。

渦街流量計建議安裝到水平或垂直管道，并保證管道充滿介質(zhì)。

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

渦街流量計盡量避免安裝在有強烈震動的地方，盡量遠離泵與閥門，必要時做適當?shù)墓艿乐巍?/p>

渦街流量計安裝位置要遠離強磁場或強電場的干擾。

保證渦街流量計漩渦發(fā)生體處于迎流面。

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

渦街流量計安裝示意圖 ，如圖 3 所示。

4.渦街流量計的客戶化調(diào)校

由于渦街流量計測量原理、傳感器類型、標定裝置、安裝使用等原因，渦街流量計在出廠到達用戶現(xiàn)場或計量站時，出廠的標校精度可能會與用戶現(xiàn)場標準表或計量檢定結(jié)果發(fā)生產(chǎn)生偏差，這時就要對儀表系數(shù)進行現(xiàn)場調(diào)整，以滿足用戶或計量機構(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偏差。如果儀表出現(xiàn)整體正偏差或負偏差，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 標準流量 )

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

目前渦街流量計生產(chǎn)廠家可以根據(jù)用戶需求提供歐標、美標或是日標法蘭連接法蘭儀表。同樣法蘭標準，相同口徑、相同壓力等級，不同品牌的渦街流量計產(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。

造成廠家標定時的雷諾數(shù)和檢定時的雷諾數(shù)不同的主要原因是：大多數(shù)渦街流量計的制造廠都是用水作為標校介質(zhì)來進行標定。渦街流量計的原理告訴人們無論介質(zhì)是什么，對同一臺儀表來說，在單位工況流量體積下產(chǎn)生的脈沖數(shù)是一個常數(shù)，即儀表系數(shù) K。因為渦街流量計的這個優(yōu)點，用水標定的渦街流量計可以用于測量氣體或蒸汽，但這個應用前提是要雷諾數(shù)大于 20000才能保證精度。有些時候，儀表在用戶現(xiàn)場或計量站檢定時，雷諾數(shù)小于20000，導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，儀表制造廠不能因為自己儀表內(nèi)徑原因，要求用戶改管道或因為雷諾數(shù)低就要求用戶更換儀表，可以采用多點非線性修正，達到滿足用戶使用的要求。這里介紹一種有效的方法，實現(xiàn)這一目的。具體說就是把測量范圍分段，取一個儀表常數(shù)，讓每段測量范圍都符合精度要求，這種方法實現(xiàn)的過程要考慮雷諾數(shù)的影響。下面是計算模型。

通過上述 6 步計算，可實現(xiàn)儀表的非線性修正。利用上述計算結(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，達到校正目的。轉(zhuǎn)換器該功能的實現(xiàn)要通過前期轉(zhuǎn)換器軟件設計實現(xiàn)。這樣通過線性及非線性修正，就可實現(xiàn)客戶化的調(diào)校，滿足用戶需求。

5.結(jié)束語

渦街流量計是一款好產(chǎn)品，國外的設計規(guī)范已經(jīng)把渦街流量計放到了差壓式流量儀表選型之前，作為小管徑（<DN300）、氣體、液體、蒸汽流量測量的實惠。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，渦街流量計在中國市場會有大的發(fā)展。