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- 節(jié)流式差壓流量計為何仍有優(yōu)勢（轉(zhuǎn)載）
- 2019-08-22
- 0 引言
渦街流量計在上世紀(jì)7O年代投入工業(yè)應(yīng)用時，一度被稱為數(shù)字孔板，意思是它有顯著的優(yōu)越性，將會像孔板流量計一樣得到**應(yīng)用。甚至有人斷言，渦街流量計將全面取代孔板流量計。這是因為渦街流量計具有下列顯著的優(yōu)點：
① 安裝維修方便，不像普通差壓式流量計那樣，較長的引壓管線，易漏、易堵、易凍結(jié)；
② 輸出與流量成正比的脈沖信號，然后用數(shù)字技術(shù)進行處理，可不損失精度；
③ 不存在零點漂移問題；
④ 合理確定口徑，可得到較寬的測量范圍度[1]。
時至今日，三十多年時間過去了，雖然孔板流量計的部分市場被渦街流量計占領(lǐng)，但在實際應(yīng)用中，很多地方還是使用孔板流量計（節(jié)流式差壓流量計中*常用的一種）。不僅沒有被淘汰，在某些場合，還占據(jù)相當(dāng)優(yōu)勢。
下面對這一情況作粗略分析，以便讀者在儀表設(shè)計選型時參考，揚長避短，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，爭取*大的經(jīng)濟效益。
1 渦街流量計測量存在的困難
由于渦街流量計工作原理的局限性，敏感元件和結(jié)構(gòu)的局限性，對于被測流體的溫度壓力高于一定數(shù)值，流體密度小于一定數(shù)值，用渦街流量計來測量，現(xiàn)在還有困難。
1.1 高溫流體
不同的廠商提供的不同品牌渦街流量計，所適用的流體溫度上限一般為400~450℃。從現(xiàn)場實際應(yīng)用情況來看，有的品牌只能短時期達到所承諾的溫度上限。例如某歐洲品牌，一臺新的渦街流量計在400℃的條件下能可靠使用半年，半年以后，輸出就全無了。再換上一臺全新的，還是只有半年的壽命。
1.2 高壓流體
目前市場上的渦街流量計，其壓力等級有4MPa和6.4MPa等多種，如果被測流體壓力再高，人們還是喜歡用老一套的方法，即差壓式流量計。
1.3 低密度流體
渦街流量計用來測量氣體和蒸汽流量時，*低可測流速要受到流體密度的制約。這是因為被測流體經(jīng)旋渦發(fā)生體所產(chǎn)生的旋渦，作用在傳感器探頭上，相應(yīng)產(chǎn)生個數(shù)相同的電脈沖，此電脈沖的幅值與旋渦對探頭所產(chǎn)生的推力大小有關(guān)，推力越大，脈沖幅值也越大，而此推力與流速的平方成正比，又同流體的密度成正比。當(dāng)密度小到一定程度，流速又較低時，推力太小，以致脈沖幅值相應(yīng)太小，導(dǎo)致被噪聲所淹沒，*后，脈沖不能被可靠地檢出。但是，如果流速較高，推力仍可增大到足夠大，以致脈沖幅值增大到足夠大，*后仍能被可靠地檢出。
有些被測流體如氫氣、半水煤氣等，密度都較小，有些低靜壓低流速測量對象，如城市煤氣，管道內(nèi)流速較低，又不能用局部縮徑的方法提高流速，在設(shè)計選型時需十分小心。當(dāng)被測流體密度已知時，*小可測流量為多少，可以通過計算得到。有的制造商通過對自己的產(chǎn)品做試驗，給出了不同口徑產(chǎn)品的有用數(shù)據(jù)。
2 渦街流量計的可測范圍欠寬廣
目前市場上供應(yīng)的渦街流量計，*小口徑為DN15。*大口徑，國產(chǎn)產(chǎn)品有DN600，但口徑大了之后，分辨力較低，所以國外儀表公司一般只提供DN300及以下的產(chǎn)品。
相比之下，節(jié)流式差壓流量計，從口徑小的內(nèi)孔板流量計到口徑大到1m的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流式差壓流量計，品種規(guī)格一應(yīng)俱全[2]。
3 渦街流量計在使用上還有困難
安裝流量計的管道或工業(yè)現(xiàn)場，難免有些振動，有些還較強烈，例如有些壓縮機、鼓風(fēng)機廠房內(nèi)，不僅管道振得很厲害，甚至整個廠房連同廠房周圍的道路都振得很厲害。
渦街流量計是一種流體振蕩型儀表，其工作原理是流體流過旋渦發(fā)生體后，產(chǎn)生與流速成正比的旋渦，旋渦的個數(shù)被傳感器檢知，輸出與旋渦個數(shù)相等的脈沖。當(dāng)管道或環(huán)境有振動時，這種振動也同樣作用在傳感器上，產(chǎn)生相應(yīng)的電信號，當(dāng)這種電信號的幅值大到一定的程度而高于分辨閾值后，也就混在旋渦產(chǎn)生的電信號里，經(jīng)放大。整形而送到輸出端，使輸出頻率偏高；而若實際流量為零，則表現(xiàn)為“無中生有”。
渦街流量計的耐振性與其本身品質(zhì)有關(guān)，按不同原理制造的渦街流量計，其耐振性也不同，一般說來，用電容式傳感器制造出來的渦街流量計要比用壓電傳感器生產(chǎn)出來的儀表耐振性優(yōu)越。不同品牌的渦街流量計，甚至同一個品牌由于口徑不同、型號不同的產(chǎn)品，其耐振性也不同。
例如某外國知名品牌在中國組裝的產(chǎn)品，DN80及DN80以下的渦街流量計，耐振性較好，能耐受1g振動，而大口徑渦街流量計，耐振性就較差，DN≥150時，不用說管道振動，就是在（—體式儀表）放大器盒旁邊用力拍手，儀表輸出都會應(yīng)聲升高。
渦街流量計的耐振性同其安裝位置也有關(guān)系，盡管儀表說明書中說，渦街流量計既可垂直安裝也可水平安裝，但在實踐中發(fā)現(xiàn)，水平安裝（即發(fā)生體處于水平位置）的儀表，耐振性明顯降低。
渦街流量計在被測流體流速很低和零流量時，耐振性較差。這是因為旋渦對傳感器的推力，同管道中流體流速的平方成正比。被測流體流速很低和零流量時，旋渦對傳感器的推力小，產(chǎn)生的信號幅值低，因此信噪比也小，振動產(chǎn)生的信號較顯著。
渦街流量計的耐振性同其所測介質(zhì)的密度還有關(guān)。因為管道振動時，傳感器隨管道一起振動，在被測介質(zhì)為液體時，由于包圍在傳感器周圍的介質(zhì)是液體，密度大，對傳感器本身有良好的阻尼作用，所以，傳感器受振所產(chǎn)生的電信號幅值小，而如果包圍在傳感器周圍的介質(zhì)是氣體，則因阻尼較差，振動所產(chǎn)生的電信號幅值大。
人們?yōu)榱烁纳茰u街流量計的耐振性進行了長期的研究，采取了一些措施，例如采用雙傳感器法，頻譜信及號處理（SSP）技術(shù)等，都收到了一定效果。但在振動振較強烈的場所，渦街流量計應(yīng)用還有困難。相比之下，節(jié)流式差壓流量計卻要優(yōu)越得多。
4 節(jié)流式差壓流量計具有較好的適應(yīng)性
濕蒸汽從嚴(yán)格的意義上來說，是屬兩相流體，當(dāng)濕度較小時，例如干度在95%以上時，對渦街流量計和差壓式流量計影響均不大，即流量計能正常工作，只是測量誤差稍大，但濕度大到一定程度，對各種流量計均有較大影響，但影響的程度卻有顯著差異。
人們在用渦街流量計測量濕蒸汽流量時，會出現(xiàn)一種“漏脈沖”現(xiàn)象，即在濕度不大，可以將蒸汽近似看作干蒸汽時，渦街流量計的輸出脈沖，與流過發(fā)生體的流體體積（流速）成正比，而濕度大到一定程度，這種正比關(guān)系就不成立了，輸出脈沖數(shù)比應(yīng)有脈沖數(shù)明顯減少。如果濕度進一步增大，甚至完全沒有脈沖輸出，這就是所謂的“漏脈沖”現(xiàn)象。
關(guān)于這種漏脈沖現(xiàn)象的機理，目前尚未見有資料作深入的分析，但這種現(xiàn)象是客觀存在的。
應(yīng)用節(jié)流式差壓流量計來測量飽和蒸汽流量，有時也會碰到蒸汽帶水的情況，當(dāng)流量計安裝在水平管道上時，管道底部會出現(xiàn)分層流動的水。儀表制造廠一般在孔板的下部開一個疏水孔，以防凝結(jié)水在節(jié)流件前面集聚，影響流通截面。在國家標(biāo)準(zhǔn)中，還給出了這種疏水孔所引入的誤差計算和修正方法[3]。對于安裝在垂直管道上的節(jié)流式差壓流量計，則無需開疏水孔，但由蒸汽帶水所引起的誤差是客觀存在的。因此，這里所說的“具有較好的適應(yīng)性”只是相對于渦街流量計而言。
5 輕微流動脈動對差壓式流量計無明顯影響
流動脈動常見于工業(yè)管流，從現(xiàn)場儀表往往看不出流動脈動的存在，因而往往不被人們所注意。
流動脈動對大多數(shù)流量測量儀表都有影響，使之示值升高，但影響的程度有很大差別。
流動脈動作用在渦街流量計的傳感器探頭上，脈動的推力使之產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖輸出，因而使渦街流量計示值出現(xiàn)大幅度的升高，有時甚至是成數(shù)倍的升高[4]。
流動脈動影響渦街流量計的*常見的例子是安裝在減壓閥后面的渦街流量計，流量示值因脈動而大幅度升高。
一個熱力公司要向為數(shù)眾多的熱用戶供汽，其供汽的*高壓力和*高溫度主要受鍋爐規(guī)格制約，而*低壓力，卻要受到用戶的制約。即供汽壓力值要求*高的用戶決定了管網(wǎng)的*低壓力。而對于另外一些用戶，這一供汽壓力又嫌太高，于是在蒸汽總管進入用戶界區(qū)之后，增設(shè)一個減壓站。
蒸汽減壓站的減壓（穩(wěn)壓）功能主要由一個蒸汽直接作用壓力調(diào)節(jié)閥承擔(dān)。這個調(diào)節(jié)閥兩端壓差大小不一，調(diào)節(jié)閥閥芯閥座的結(jié)構(gòu)形式也有很大差異，在調(diào)節(jié)閥兩端壓差較大，而相對流量較小時，閥門開度很小，這時閥芯和閥座間的流體流速很高，于是在閥門出口處很容易產(chǎn)生旋渦。當(dāng)閥門開度小于一定值（例如5%）時，甚至出現(xiàn)閥芯不停地抖動，引起流動脈動。
流動脈動對差壓式流量計的影響是通過三個途徑，即①平方根誤差；②慣性影響；③對流出系數(shù)的影響，三個因素共同作用，使節(jié)流式差壓流量計的示值升高，其脈動附加不確定度的估算可查閱有關(guān)文獻[3]。但其影響程度要比渦街流量計輕得多。
6 低雷諾數(shù)測量條件下，差壓流量計的適應(yīng)性
在被測流體粘度較高，例如比水大數(shù)倍的使用條件下，渦街流量計要慎用，因為渦街流量計保證測量*度的*小雷諾數(shù)為20000，而雷諾數(shù)低于5000時，就可能沒有穩(wěn)定的旋渦產(chǎn)生。
標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計的*新國際標(biāo)準(zhǔn)ISO5167:2003（E），所提供的計算公式，在雷諾數(shù)大于等于4000后就能保證測量*度，雷諾數(shù)小于4000后，測量*度降低，但不會像流體振蕩式流量計那樣，因停止振蕩而輸出全無。
7 節(jié)流式差壓流量計檢定方便
用于貿(mào)易結(jié)算等用途的流量計，國家規(guī)定執(zhí)行強制檢定。對于業(yè)主單位來說，完成流量計的周期檢定是一項重要的法定任務(wù)。于是，檢定是否方便，也成了儀表選型時要考慮的重要方面。
渦街流量計的檢定，要放在流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上進行，不僅拆裝、搬運、送檢麻煩，而且為了檢定要停用較長的時間。而節(jié)流式差壓流量計由于規(guī)程規(guī)定可以用幾何檢定法進行檢定，因此，可在現(xiàn)場找到合適的場所進行檢定，既省時間又省檢定成本。
8 流量計口徑較大時，差壓式流量計較便宜
節(jié)流式差壓流量計的成本由節(jié)流裝置、差壓變送器及附屬裝置組成，當(dāng)儀表口徑增大時，只需節(jié)流裝置放大，因此，成本上升不明顯，由于此原因，在儀表口徑較大時，尤其是在流體溫度較高（T>300℃）時，節(jié)流式差壓流量計的價格優(yōu)勢尤為明顯。
9 節(jié)流式差壓流量計變更測量范圍較方便
流量計在安裝完畢投入使用時，總會發(fā)現(xiàn)一定比例的儀表流量測量范圍選得不合適，不是太小就是太大。尤其是在從未安裝過流量計的管道上，提條件的人員生怕提得太小不夠用，層層加碼，往往將流量上限取得太高。儀表投入運行時才發(fā)現(xiàn)，實際流量比原來估計的流量小得多，對于選用渦街流量計的測量系統(tǒng)，甚至?xí)l(fā)現(xiàn)流量傳感器無脈沖輸出。對于選用節(jié)流式差壓流量計的設(shè)計中，流量示值有時只有滿度值的20%~30% 。作為預(yù)防措施，有經(jīng)驗的設(shè)計人員，往往將差壓上限選在適中的數(shù)值，例如低壓蒸汽，選差壓上限為40~60kPa，這樣，當(dāng)開表后如果發(fā)現(xiàn)實際流量略微超過滿量程或相對示值偏低，就可對差壓上限進行重新計算，然后用手持終端重新設(shè)置差壓變送器的測量上限。而對于旋渦流量計，一旦發(fā)現(xiàn)口徑選的不合適，只能用更換一次表的方法去解決。
要換一臺口徑與原設(shè)計不同的渦街流量計，對于一個使用大量儀表的老企業(yè)來說，或許不是一件困難的事，因為總有一些備表，而對于一個新企業(yè)、小企業(yè)或工程公司來說，就是一件困難的事。
1O 結(jié)束語
節(jié)流式差壓流量計的主要不足是范圍度不夠大，較長的引壓管線導(dǎo)致安裝麻煩，而且易漏、易堵、易凍結(jié)，易引起差壓信號的傳遞失真。近些年的改進主要有：
① 差壓變送器的精度等級得到大幅度提高，從早先的1.5級提高到后來的0.5級，再到現(xiàn)在的0.1級甚至0.75級。在相對流量低于30%時，節(jié)流裝置送出的差壓信號也能到*測量，從而有利于流量測量范圍度的擴大；
② 流量顯示儀表的改進，不僅使顯示儀表*度得以提高，更重要的是：制約節(jié)流式差壓流量計范圍度擴大的流出系數(shù)非線性和可膨脹性系數(shù)影響得到補償，從而使節(jié)流式差壓流量計的系統(tǒng)*度大大提高，范圍度可擴大到10:1[6]；
③ 對引壓管線的改進體現(xiàn)在一體化節(jié)流式流量計上。在一體化節(jié)流式差壓計中，引壓管縮得很短，所以，改進前存在的易漏、易堵、易凍結(jié)，差壓信號傳遞失真問題，安裝工程量大等問題均得到解決；
④ 新的計算公式，使一次元件測量不確定度進一步減小。這主要體現(xiàn)在新的國際標(biāo)準(zhǔn)IS05167:2003（E）上。
