涡街流量计的结构原理及选型的特殊性

摘要：涡街流量计是石油化工装置中十分常用的一种流量测量仪表，但涡街流量计实际使用中的测量效果常常不尽如人意，笔者根据多年的涡街流量设计及使用经验，结合实际项目中出现的问题及失误情况，对涡街流量计的选型及使用中特殊性进行梳理与论证，针对涡街流量计的固有特性及测量上下限的特殊性进行分析，指明涡街流量计特有的应用注意事项。

涡街流量计是石油化工装置中十分常用的一种流量测量仪表，可以用于测量工艺管道中各类气体、液体、蒸汽介质流量。因其量程范围大，测量精度高，无可动机械零件，可靠性高，维护量小等优点得到了设计单位及用户的广泛认可。但在涡街流量计的设计选型及使用过程中，往往会出现各种各样的问题从而导致实际的使用及测量效果不尽如人意，出现这些问题的主要原因绝大部分都是由于设计选型或安装施工过程中没有充分考虑到涡街流量计的特殊性造成的。

1、涡街流量计的测量原理

在流通的管道内设置适当形态、尺寸的非流线型柱体，即涡街发生体，在流体流通过涡街发生体时，会在发生体两侧交替产生漩涡，漩涡脱落并向下游传播，形成形似交叉排列街灯的漩涡列，这种现象被称作卡门涡街。

单位时间内产生的漩涡数量即为涡街频率，此频率与流速成线性正比关系，涡街流量计正是利用卡门涡街的这种特性，通过测量管道内涡街发生体后的涡街频率，计算出管道内介质的流速从而达到测量流量的目的。

工况体积流量由下式给出：Qv=3600×（f/K）

式中，Qv为工况体积流量(m³/h)；f为涡街频率(Hz)；k为涡街流量计仪表系数，K=St/（A×d），其中：St为斯特罗哈尔数，在涡街流量计标称测量范围之内，可被作与流体特性无关，A为流量计流通管横截面积，d为涡街发生体迎流面宽度。

2、关键测量元件

为了准确测量涡街频率，测量元件材质及形式的选择就变得尤为重要。由于工业领域的流体，固有的脏污、含杂质、高温/低温、高压、腐蚀等特征，曾经出现过的热敏、磁敏、激光尾流、超声尾流等种类繁多的漩涡探测方式已消失不见，通过感测漩涡横向升力识别漩涡的力敏检测方式成为涡街流量计制造商的一致选择，其中，采用压电晶体敏感元件的应力式涡街传感器为绝大多数制造商使用，直接原因在于，漩涡升力与流量平方成正比，同时与流体工况密度成正比，为实现20:1的量程比，保证出现涡街的必要性，传感器必须在足够厚度/强度的耐腐蚀金属包裹之下，同时为应对低密度/低压气体流量测量，传感器必须具备堪比麦克风的*高灵敏度;而为应对蒸汽，液体介质的强大漩涡升力，则需可长期承受强如铁锤重击般的苛刻重载，显然，应力式传感器更为适宜。

对比制造商样本资料，即可发现，可实现10：1以上的量程比的涡街流量计基本均采用应力式(压电晶体)传感器。

3、流量计的固有特性

(1)由原理可以得出：涡街流量计测量的是工况体积流量，产品铭*给出K系数含义是：K个漩涡=1m³，涡街流量计原始信号与输出信号之间为简单的线性正比关系，不可因惯用差压类流量计的经验，进行开方运算；

(2)涡街流量计通过对于所产生漩涡数量的累计计数得到累计流量，通过计数单位时间之内的漩涡个数得到瞬时流量。测量的难题主要表现为：在复杂因素(或工况)干扰下，正确判定漩涡的有/无；

(3)涡街流量计在检测流量时，*要的是判断漩涡的有无，即生成数字信号的“1”、“0”，进而计数得到流量，因此，涡街流量计本质上为数字测量原理，由此呈现出与常用的其它模拟原理流量计大相径庭的特征：

①如能正确识别漩涡的有/无，则表现出优异的测量精度；

②如果在判断漩涡有/无时出现错乱，则呈现无法接受的巨大误差，甚至于不能正确反映信号变化趋势。

对比熟知的模拟类流量仪表如差压类、电磁类等等，是以信号强弱测得流量大小，而涡街流量计却是以信号频率的高低测得流量大小。因此，干扰对于模拟类流量仪表流量示值的影响往往取决于干扰的强度，在流量低于下限时，更多的表现为精度超差，但可反映流量变化趋势。并且，干扰信号的频率通常与模拟类流量计的信号差异明显，简单的滤波就可以有效降低干扰信号幅度，从而抑制干扰的影响。

4、涡街流量计选型的特殊性

涡街流量计的选型与其他流量计选型一样，*先面临的问题是口径规格的选择，选择依据是根据工艺要求的测量范围，对比各口径规格涡街流量计的测量范围下限及上限，确定适当的规格。但须注意的是：涡街上/下限，因原理的特殊性，必须谨慎考量，工程实践足以证明：大多数的涡街运行不良、测量失败，来源于测量上/下限的重视不足，甚至理解偏差。涡街流量计是对于流畅畸变、旋转流等较敏感的流量计，应有足够长度的直管段或装设流动调整器才能保证测量精度。

(1)涡街流量计的测量下限的特殊性

涡街流量计的测量下限不是定值，即使同一台涡街流量计，测量相同状态流体时，流量测量下限根据工况不同也可能产生变化。流量低于下限时，*好的情况只能是示值为零，不能反映流量趋势。涡街流量计的测量下限，由雷诺数、流体工况密度、传感器及信号处理系统的增益(放大倍率)信号处理系统的低端频响，涡街流量计的抗干扰能力、现场干扰强度等因素共同制约，因而变化范围很大，不能简单的查询、引用产品样本给出的下限数据。正确的做法是：针对上述所有因素，分别计算或查询出各自限定的流量测量下限，取*高值，作为产品实际下限。

涡街流量计产生漩涡的横向升力与流量的平方成正比，同时与流体密度成正比，因此，在流量减小时，信号强度以二阶关系急剧下降，在小流量时，涡街信号容易降至与信号强度相当，甚至湮没在干扰之中，无法正确识别漩涡的有无，致使错误地的将干扰识别为漩涡。所产生的误差，并非如模拟式流量计般，取决于干扰的幅度，而是干扰的频率，由此，在干扰频率与涡街频率差异大时，即使信噪比不低，也可产生*大误差，为此，涡街流量计必须在信号处理中设定一个信号识别的强度下限，将强度低于下限的干扰及流量一并舍弃，尽量避免将强度不大、而频率不低的干扰信号误认为涡街信号，以免差生*大误差。因此涡街流量计的测量下限受干扰影响*大，低于下限的流量无法给出有意义的示值。

根据工程经验，在众多影响涡街测量下限的因素中，涡街流量计的抗干扰能力，以及现场干扰强度是决定涡街流量计测量下限的主要因素，众所周知的“涡街怕振动”，实际原因就是：欲测流量已经低于涡街流量计在现场振动干扰下的实际测量下限，反之，只要流量够大，超过测量下限，是不存在“涡街怕振”这种说法的。由于漩涡升力与流量之间成二阶正比关系，在流量减小时，涡街信号急剧减弱，而涡街原理是通过正确识别漩涡的有/无，进而计数单位时间内漩涡个数(即涡街频率)得出流量，干扰对于涡街产生作用并非如其他仪表一般，作用于信号幅度，引发与干扰强度成正比的误差，而是以干扰频率影响涡街频率的识别，产生的误差主要源于涡街信号与干扰信号的频率差值，即使微弱的干扰，因频率差异，也可导致难以接受的而巨大误差，因此，涡街流量计必须按干扰信号幅度设置取舍门限，舍弃幅度低于门限的信号，只对高于门限的信号进行漩涡的识别处理，由此防止误将干扰频率认作涡街频率，从而实现零点稳定。在此，需清晰认识的是，流量越小，信号越弱，舍弃门限越高，意味着舍弃的流量越高，这正是干扰造就测量下限的原因。

在现场常见需调整涡街流量计的灵敏度，实质就是调整信号的取/舍门限，可以清晰的看到，调高灵敏度即降低信号幅度的取舍门限，流量计的测量下限即可下延，但在更多情况之下，则是为了实现无流量时，示值为零，须降低灵敏度，即提升舍弃门限，流量测量下限随之上升，甚至超过欲测流量，导致测量失败。

涡街流量计对抗干扰的这种机理，意味着当流量低于测量下限时，其他模拟原理流量计(如差压类流量计、电磁流量计、科氏力质量流量计、热式质量流量计、超声波流量计等)一般表现为误差超标，但依旧能反映流量变化趋势，而此时，涡街流量计的*好表现为示值为零，否则只会给出凌乱无章的示值。针对涡街的这一特征，在选型时，须充分估计到工艺提供准确*小流量的难度，预留足够低的测量下限，在合理的范围内尽量扩大流量计测量下限与工艺介质*小流量之间的缓冲区域，可以*大的提高涡街流量计在震动工况中的可用性。

(2)涡街流量计的测量上限的特殊性

流量超过上限，误差超乎想象。更大的危害是：传感器/发生体断裂，威胁下游设备的安全。涡街流量计的测量上限，受信号处理系统的高端频响特征、传感器/涡街发生体的抗载能力等因素限制，制造商在样本之中，普遍给出气体、蒸汽、液体三类流体的*高可测流速上限，乘以流通管横截面积，即可核算为工况体积流量上限，进一步可核算为所需的标况体积，质量流量上限。

对于涡街流量计的测量上限，源于其原理的特殊性，以下两点宜谨慎考量：超限倒走现象与传感器/涡街发生体断裂现象。

通常情况之下，流量越大，涡街的稳定性越差，在超出上限流量时，信号处理系统的高端频响限制，将进一步扩大不稳定度，使得漏计漩涡的比例随流量升高急剧上升，现场表现为：流量越大，指示越小的特有“倒走”现象，测量误差超出百分之数十、甚至数百，有些制造商在产品样本中声明：采取特殊算法，消除这种“倒走”现象，使得超限后，如其他流量计般维持为上限示值，可减小“倒走”带来的误差，但应该注意的是，这一做法，也使现场判定超限更加困难，且能产生下述风险：

由于传感器受到的漩涡升力与流量的平方成正比，在流量超出上限时，可能因过载损伤传感器，对于非应力式(压电晶体)传感器尤为严重，更强的破坏作用源于：涡街信号基频、谐波频率升高到传感器/涡街发生体的自有共振频率，致使其共振断裂，断裂部件高速撞向下游设备，可能造成重大损失。涡街流量计所产生的漩涡频率与口径规格呈反比，因此，口径越小，涡街频率越高，漩涡传感器产生共振的机率越大，共振断裂的风险越大。在高流速的蒸汽流量测量中，出现传感器断裂的案例更为多见。一些产品将涡街发生体与漩涡传感器合并一体，即：将压电晶体封装在涡街发生体之中，这种结构的涡街发生体须设计为悬臂梁或绞支梁结构，在液体流量超限或是水锤作用、异物撞击下，也易产生涡街发生体断裂现象，需谨慎对待。

5、结束语

涡街流量计作为公认的未来主流流量计之一，更多承担气体及低粘度液体的流量测量，应用面快速增长。但必须看到的是:基于当前技术水平，市场上的产品距离充分展现涡街原理优势，还存在很大差距，产品间的性能差异明显大于其他仪表，在选用时需谨慎甄别。因此，只有对涡街固有特征认识清晰，才能获得良好的应用效果。