1 渦街流量計(jì)工作原理

      渦街流量計(jì)的用途非常廣泛，可以測量液體、氣體和蒸汽，可以測量高溫介質(zhì)而不必分體式安裝，也可以測量低溫介質(zhì)，同一臺(tái)儀表可以用于溫度在-200~427℃的工況下測量。由于渦街信號(hào)是頻率信號(hào)，因此，不需要對(duì)儀表進(jìn)行調(diào)整零點(diǎn)或量程漂移的定期維護(hù)。在一些渦街儀表的設(shè)計(jì)中，傳感機(jī)構(gòu)沒有孔或縫隙，這樣儀表就不會(huì)發(fā)生堵卡。渦街流量計(jì)具有寬量程（當(dāng)雷諾數(shù)大于10000時(shí)可達(dá)30:1）、高精度、口徑范圍寬（15~300mm）、可靠性高、泄漏點(diǎn)少及壓力損失小等特點(diǎn)。但是渦街流量計(jì)的使用也有一定的條件限制：一是對(duì)雷諾數(shù)、速度和背壓的限制；二是不能測量高黏度的流體、漿料或流速過低的流體；三是上游和下游直管段的要求。

      寬量程以及簡單的安裝與調(diào)試，使渦街流量計(jì)成為近10年來發(fā)展迅速的流量技術(shù)之一。渦街流量計(jì)最初被廣泛用于蒸汽流量的測量，這是由于兩個(gè)主要原因：一是由于沒有導(dǎo)壓管，渦街技術(shù)簡化了流量計(jì)的安裝。渦街技術(shù)可以測量高溫介質(zhì)，而不必分體安裝傳感器，因此不需要價(jià)格昂貴的冷卻處理；二是由于沒有導(dǎo)壓管，避免了由于維護(hù)不當(dāng)而產(chǎn)生附加測量誤差。渦街流量計(jì)在許多種流量測量中也得到了應(yīng)用，如水、空氣和氮?dú)狻５牵?dāng)渦街流量計(jì)在要求更加苛刻的工況中使用時(shí)，儀表設(shè)計(jì)中存在的一些不足之處也開始暴露出來，通常是由于管線振動(dòng)和傳感器積垢或堵塞所引起的測量誤差。

      2 采用的技術(shù)

      （1）在解決振動(dòng)引起誤差方面的技術(shù)

      渦街的生成是一種基于頻率的現(xiàn)象，如果電子部分不能區(qū)分振動(dòng)產(chǎn)生的頻率和流體流動(dòng)產(chǎn)生的頻率，儀表的輸出就容易出錯(cuò)。微處理器是個(gè)被用于渦街技術(shù)的主要增強(qiáng)技術(shù)。在過程儀表中引進(jìn)微處理器，有助于儀表進(jìn)行通信和數(shù)字信號(hào)傳輸，微處理器與渦街技術(shù)的自然結(jié)合，為改善傳感器的信號(hào)處理提供了一個(gè)解決方法。無論液體還是氣體，渦街流量計(jì)在滿量程范圍內(nèi)所測的頻帶在250:1的系數(shù)以上變化。對(duì)于尺寸在口徑范圍內(nèi)的管道，動(dòng)態(tài)工作范圍擴(kuò)大為10000:1。在未采用微處理器時(shí)，要解決這個(gè)復(fù)雜的關(guān)系，必須在儀表體中采用不同的電路設(shè)計(jì)。采用微處理器后，電子部分可以根據(jù)需要在大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)量程，而不必改變內(nèi)部模擬電路。采用微處理器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以進(jìn)行數(shù)字通信。渦街流量計(jì)中采用微處理器，可以顯著地減小啟動(dòng)和投運(yùn)時(shí)間。現(xiàn)在的渦街流量計(jì)只需輸入6個(gè)參數(shù)，就可以投入運(yùn)行，使儀表的組態(tài)時(shí)間從45min減少到小于15min，另外，組態(tài)可以遠(yuǎn)程進(jìn)行，而不必將電子部分暴露在現(xiàn)場中。電子部件發(fā)生故障時(shí)，也可以保存和重新裝載組態(tài)信息。

      增強(qiáng)的第二個(gè)主要技術(shù)是低功耗的ASIC（專用集成電路）技術(shù)與DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）技術(shù)的結(jié)合。在微處理器的控制下，這兩個(gè)技術(shù)的結(jié)合使得儀表在噪聲環(huán)境中能夠調(diào)整信號(hào)處理，達(dá)到的性能。如前所述，如果不能精確地將振動(dòng)頻率濾掉，那么測量結(jié)果會(huì)出錯(cuò)。這對(duì)于低頻和高頻噪聲部分都是一個(gè)難點(diǎn)。流速高時(shí)，被測流體會(huì)產(chǎn)生使流量信號(hào)發(fā)生畸變的低頻噪聲。流速低時(shí)，渦街信號(hào)的幅值小，會(huì)受到低頻和高頻噪聲部分的干擾。這些因素與因流量和密度范圍的增加而引起的電位幅度變化疊加在一起。信號(hào)幅度（A）、密度（ρ）和流速（V）的關(guān)系為：

      密度不變時(shí)，典型應(yīng)用中可用的流速范圍約為25:1，與之對(duì)應(yīng)的信號(hào)幅度范圍為625:1。另外，從大氣壓下的空氣到液體，其密度變化范圍為800:1。目前市場上的許多渦街流量計(jì)還在使用模擬技術(shù)過濾旋渦信號(hào)，這些濾波器不僅會(huì)發(fā)生模擬漂移，而且隨時(shí)間的衰減還是靜態(tài)的，不會(huì)根據(jù)實(shí)際工況的要求變化而進(jìn)行調(diào)整，這將最終導(dǎo)致測量誤差。盡管可以對(duì)某個(gè)特定的流量條件加強(qiáng)濾波，但是也存在著濾掉好的流量信號(hào)可能性。在某些點(diǎn)上，這種調(diào)整可能會(huì)使流量信號(hào)也一起被濾除。一旦確定了的濾波設(shè)置，如果工況或使用情況發(fā)生了變化，那么該濾波方案就有可能失效。另外，電子部件本身的變化也會(huì)影響使用情況，如隨著時(shí)間的推移而發(fā)生的正常衰減，或者溫度變化對(duì)關(guān)鍵部件的影響等。如果使用的DSP技術(shù)，就可以根據(jù)實(shí)際使用情況來優(yōu)化濾波器，并可以根據(jù)工況變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。該濾波技術(shù)的基礎(chǔ)是數(shù)字帶通濾波器，可以根據(jù)管道尺寸和被測介質(zhì)類型（液體或氣體）進(jìn)行調(diào)節(jié)，將單獨(dú)的低通和高通濾波器串聯(lián)起來可以構(gòu)成帶通濾波。

      預(yù)置過的低通濾波器使濾波過的渦街信號(hào)仍然可以在實(shí)際的流量范圍內(nèi)保持相對(duì)恒定的水平，高通濾波器進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整以適應(yīng)旋渦頻率的變化，這樣在將噪聲減小到最小的同時(shí)可以保持旋渦信號(hào)的強(qiáng)度。最后，信號(hào)閾值檢測算法確保被衰減的噪聲部分被濾除。接收的旋渦信號(hào)必須有足夠的幅度以突破所設(shè)置的觸發(fā)電平。總之，這些濾波器能提供性能，并保持信號(hào)的完整性。由于這是數(shù)字濾波，因此，可以遠(yuǎn)距離調(diào)節(jié)濾波器的設(shè)置，并且可以對(duì)某一方面特定應(yīng)用情況進(jìn)行優(yōu)化。

      （2）解決渦街傳感器堵塞或積垢的技術(shù)

      渦街流量計(jì)表體和傳感機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)使儀表抗干擾能力和可靠性得到提高。較早的渦街流量計(jì)是通過管道內(nèi)漩渦發(fā)生體上或緊靠發(fā)生體的傳感器測量分離頻率。由于化學(xué)腐蝕以及流束引起的磨損，傳感器很容易損壞，現(xiàn)在渦街流量計(jì)的傳感器設(shè)計(jì)在流體流束外。一種解決渦街傳感器堵塞或積垢的技術(shù)就是將傳感器與表體一體化澆鑄。這就消除了易堵塞并影響儀表運(yùn)行的端口或縫隙，省去了形密封圈可以消除儀表泄漏，不必?fù)?dān)心材料的兼容。

      （3）用于儀表和過程診斷的技術(shù)

      渦街流量計(jì)正在逐漸形成自診斷的功能。有了診斷功能，用戶可以了解到管道內(nèi)的情況，解決了因儀表從管道上拆下來造成整個(gè)生產(chǎn)過程停產(chǎn)的問題。另外，診斷功能還可以簡化例行的裝置檢查，降低維護(hù)費(fèi)用并可以增加正常運(yùn)行時(shí)間。

      由于渦街流量計(jì)是以頻率為基礎(chǔ)，因此在提供診斷工具方面有特別的便利。渦街流量計(jì)除了能讀取頻率外，也能產(chǎn)生頻率，在此模式下，儀表可以模擬用戶的實(shí)際工況給定一個(gè)上升時(shí)間，使儀表在兩個(gè)預(yù)置的流速間線性的或連續(xù)的輸出頻率。在使用這些功能時(shí)，傳感器并不需要被真正斷開連接，但其輸出信號(hào)被切斷，由內(nèi)部頻率發(fā)生器取代流量信號(hào)。用數(shù)字手操器可以遠(yuǎn)程控制流量模擬。這個(gè)工具對(duì)于排除儀表或回路故障都是非常有用的，如果使用外部頻率發(fā)生器，可以按ISO的要求向儀表輸入模擬信號(hào)，以驗(yàn)證儀表的輸出，

      式1表明，信號(hào)的幅值與密度和速度平方成正比，這個(gè)關(guān)系提供了另外一個(gè)有用的診斷工具。將濾波過的信號(hào)幅值與預(yù)置的觸發(fā)電平進(jìn)行比較，可以驗(yàn)證能否得到足夠的信號(hào)強(qiáng)度，以保證讀數(shù)的精確性。一般建議信號(hào)電平與觸發(fā)電平之比的最小值為4:1，這樣，在調(diào)節(jié)漩渦傳感器中正常存在的信號(hào)幅值時(shí)，可以使帶內(nèi)噪聲的濾除率。當(dāng)這個(gè)比例降到4:1以下，可以通過調(diào)整濾波器的設(shè)置改善流量信號(hào)。在帶有DSP的渦街流量計(jì)中可以通過人工方法改變每個(gè)濾波器參數(shù)或通過使用優(yōu)化濾波器功能的自動(dòng)方法來進(jìn)行調(diào)整。優(yōu)化濾波器功能可以對(duì)某個(gè)給定的介質(zhì)密度給出可能的最寬衰減比以限度的濾除帶內(nèi)噪聲。

      3 工程上的成功應(yīng)用

      （1）的技術(shù)改善了污水流量測量

      在哈薩克斯坦扎那諾爾油氣處理新廠含油污水處理裝置中，由于工藝采用短流程、低壓處理技術(shù)，要求污水計(jì)量儀表在性能上應(yīng)能滿足一定的要求：一是污水含硫化氫較高，儀表不能有泄漏；二是污水含泥沙，儀表不能有堵塞情況；三是流程短、壓力低，要求儀表壓力損失最小；四是油田工況變化范圍大，儀表要考慮寬的流量范圍；五是儀表安裝要求空間小，抗震動(dòng)強(qiáng)。

      設(shè)計(jì)中對(duì)超聲波、電磁、差壓式流量計(jì)進(jìn)行分析評(píng)估，差壓式流量計(jì)存在著泄漏危險(xiǎn)；超聲波流量計(jì)測量困難；電磁流量計(jì)安裝要求高、投資高，抗硫化氫腐蝕差。設(shè)計(jì)選用的渦街流量計(jì)后，儀表的傳感機(jī)構(gòu)與儀表體澆鑄在一起，取消了導(dǎo)壓管，消除了堵塞的可能性。選用的渦街流量計(jì)具有自適應(yīng)數(shù)字信號(hào)處理的能力，以達(dá)到所需的30:1的變化范圍。采用自適應(yīng)DSP，濾波方法可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，以適用于較寬工藝范圍。

      （2）的表體設(shè)計(jì)改善了蒸汽計(jì)量

      在哈薩克斯坦扎那諾爾油氣處理新廠鍋爐蒸汽計(jì)量中，應(yīng)用的一體化設(shè)計(jì)的渦街流量計(jì)，解決了以往用差壓式流量計(jì)由于引壓管造成的蒸汽泄漏，冬季保溫測量誤差大的問題，實(shí)際測量精度達(dá)到±1.35%。而且由于渦街流量計(jì)安裝在管道上壓力損失小，對(duì)鍋爐技能效果非常明顯。相對(duì)孔板流量計(jì)，渦街流量計(jì)選型設(shè)計(jì)計(jì)算簡單容易，可節(jié)省大量設(shè)計(jì)安裝時(shí)間；渦街流量計(jì)所需測量直管段比孔板小，在現(xiàn)場地方窄小不能滿足所需直管段要求時(shí)，通過調(diào)整渦街流量計(jì)的流量系數(shù)進(jìn)行修正。渦街流量計(jì)由于無任何可動(dòng)部件，生產(chǎn)維護(hù)非常方便，工作量小。

      （3）的防震動(dòng)設(shè)計(jì)和在線自診斷功能是天然氣計(jì)量的有效途徑

      在哈薩克斯坦扎那諾爾油氣處理新廠設(shè)計(jì)中應(yīng)用的渦街流量計(jì)計(jì)量分離器出口、壓縮機(jī)、氣舉壓縮機(jī)出口的天然氣流量。由于數(shù)字信號(hào)處理器DSP技術(shù)和濾波技術(shù)的成功應(yīng)用，解決了壓縮機(jī)出口天然氣震動(dòng)較大的問題。由于渦街流量計(jì)的輸出脈沖信號(hào)不受流體密度、黏度和組分等變化的影響，可使用一種典型介質(zhì)進(jìn)行標(biāo)定而適用于實(shí)際被測介質(zhì)。例如，用于測量液體的渦街流量計(jì)可以用水標(biāo)定；用于測量氣體的渦街流量計(jì)可以用空氣標(biāo)定。通過在線修正儀表系數(shù)，改變天然氣工況流量范圍，在DCS系統(tǒng)中在線修改天然氣壓縮系數(shù)并根據(jù)工況溫度、壓力自動(dòng)跟蹤天然氣壓縮系數(shù)，使天然氣計(jì)量達(dá)到用戶滿意的效果。

      4 渦街流量計(jì)在線溫度、壓力及密度的補(bǔ)償

      （1）渦街流量計(jì)使用中溫度、壓力補(bǔ)償

      渦街流量計(jì)的儀表系數(shù)K在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)僅與旋渦發(fā)生體的形狀和管道尺寸有關(guān)，但是當(dāng)流量計(jì)測量質(zhì)量流量時(shí)，流量計(jì)的輸出信號(hào)就要受被測介質(zhì)的密度、黏度和組分的影響。被測介質(zhì)為氣體時(shí)，渦街流量計(jì)在工作時(shí)測得的是實(shí)際工況下的體積流量。實(shí)際工況下的體積流量應(yīng)先折算成設(shè)計(jì)工況下的體積流量，再折算成標(biāo)況下的體積流量，然后乘以標(biāo)況下氣體的密度，從而得出質(zhì)量流量。體積流量由實(shí)際工況折算成設(shè)計(jì)工況時(shí)，必須考慮溫度、壓力補(bǔ)償。如果流量計(jì)的示值為質(zhì)量流量，則還應(yīng)考慮由于氣體組分變化而引起的密度變化，即必須進(jìn)行密度補(bǔ)償。

      （2）渦街流量計(jì)使用中天然氣壓縮系數(shù)補(bǔ)償

      當(dāng)天然氣壓力超過4.0MPa，天然氣壓縮系數(shù)K是隨溫度、壓力、流量值變化的，由于壓縮機(jī)出口壓力和氣舉壓縮機(jī)出口壓力較高，在應(yīng)用渦街流量計(jì)測量天然氣時(shí)進(jìn)行溫度、壓力補(bǔ)償運(yùn)算的基礎(chǔ)上，在DCS系統(tǒng)中計(jì)算天然氣超壓縮因子自動(dòng)跟蹤工況下的壓縮系數(shù)K，保證了天然氣流量測量的精確性。

      5 總結(jié)

      （1）針對(duì)不同的使用場合，對(duì)渦街流量計(jì)進(jìn)行必要的參數(shù)補(bǔ)償，不但可提高渦街流量計(jì)計(jì)量的準(zhǔn)確度，還可為企業(yè)能源核算提供可靠的計(jì)量數(shù)據(jù)。
      （2）由于渦街流量計(jì)技術(shù)的進(jìn)步，石油生產(chǎn)過程中一些苛刻工況如：安裝位置受限，冬季保溫、工況變化范圍大、壓損小、震動(dòng)環(huán)境、高溫、低溫、高壓力、泄漏限制、腐蝕介質(zhì)等情況下，使液體、氣體流量測量變的很簡單。
      （3）渦街流量計(jì)適應(yīng)于多種工況，可以減少流量計(jì)應(yīng)用種類，為工廠流量測量儀表維護(hù)帶來方便，應(yīng)用渦街流量計(jì)的遠(yuǎn)程診斷技術(shù)．提供儀表在線組態(tài)。參數(shù)調(diào)整、過程信息采集、故障預(yù)測等功能，可以降低運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。
      （4）隨著渦街測量技術(shù)的發(fā)展，不久的將來，多變量測量流量、一體化溫度壓力補(bǔ)償?shù)男滦蜏u街流量計(jì)會(huì)為流量計(jì)量帶來更快發(fā)展。