渦街流量計的測量原理與影響其準確度的因素分析

渦街流量計測量計原理

把一個非流線型阻流體（BluffBody）垂直插入管道中，隨著流體繞過阻流體流動，產生附面層分離現象，形成有規則的旋渦列，左右兩側旋渦的旋轉方向相反，這種旋渦稱為卡門渦街，如圖1所示。

圖1 渦街形成的原理圖

根據卡門的研究，這些旋列多數是不穩定的，只有形成相互交替的內旋的兩排旋渦，且渦列寬度d和同列相鄰的兩旋渦的間距l之比滿足一個常數時，這樣的渦列才是穩定的。（對于圓柱形旋渦發生體這個比例為0.281）[2]。

根據卡門渦街原理，旋渦頻率f與管內平均流速u有如下關系：

     （1）

式中：u1-旋渦發生體兩側平均流速（m/s）；d-旋渦發生體特征度；St-斯特勞哈爾數；m-旋渦發生體兩側弓形面積和管道內橫截面積之比。

由此可得瞬時體積流量與渦街頻率的關系為：

    （2）

從上式可以得到儀表系數K為：

    （3）

式中：qv-通過流量計的體積流量（L/s）；f-流量計輸出的信號頻率；k-渦街流量計的儀表系數（1/L）。

由上式可以看出，在St為常數時，儀表系數k僅與旋渦發生體的幾何參數有關，而與流體物性和組分無關。因此，渦街流量計既可以測量液體，也可以測量氣體[3]。用水標定的渦街流量計可以用來測氣體。

圖2 St數與雷諾數的關系

    圖2為斯特勞哈爾數與雷諾數的關系。從上圖可以看出管道內流體的雷諾數若小于5×103時，測量將無法進行，因此選型時要注意渦街流量計的最小流量的限制[4-5]。隨著科學技術的發展，目前也有一些廠家的渦街流量計可對不同雷諾數段的St值進行分段補償，如Endress+Hause的Prowirl73型的渦街流量計。

1、旋渦發生體迎流面堆積的影響

如果被測流體中存在黏性顆粒，則可能會逐漸堆積在旋渦發生體迎流面上，使其幾何形狀和尺寸發生變化，因而流量系數也相應變化，因此在使用中要注意清理。

2、溫度對測量的影響

溫度變化對測量體幾何尺寸變化的影響有兩部分組成，一是旋渦發生體寬度發生變化引起的;另一個是管道內經變化引起的。消除此影響一般是對K系數進行修正。目前一些廠家的流量計已對溫度的影響在軟件中進行固定溫度修正和實時溫度修正。

3、配管內經與流量計內經不一致造成的影響

一般進口儀表的內經是按照國外標準生產的，而在國內的配管內經是國內標準的，兩者之間的差別有時很大，對于配管內經與流量計內經不一致，可分為以下情況：

3.1、當管道實際內經大于儀表內經時，兩者之間的差值不超過流量計內經的3%，這時造成的誤差很小，對測量無影響，可無需修正。

3.2、當管道內經小于儀表內經，且兩者之差不超過流量計內經的2%時，產生的誤差較小，可通過對儀表系數的修正進行補償。

3.3、當管道內經與儀表內經相差較大，由于流體經過這種突變造成的流體擾動使得渦街流量計 的測量變得不再穩定和可靠，造成的誤差無法通過修正K系數來補償。此時需要流量計前后安裝足夠的與流量計內經一致的直管段或流量計前安裝流場優化整流器，但安裝整流器后仍需一定的直管段。渦街流量計的安裝要點

    （1）選擇合理的安裝場所。如避開強電力設備、高頻設備、強電源開關設備；避開高溫熱源和輻射熱源的影響；避開強烈振動。

    （2）上下游直管段滿足要求。不同的阻流件對流場的影響是不一樣的，在突縮和突擴管段可能在肩部形成二次流，在彎管位置在流動方向突然改變的彎管內外側將形成二次流，在流通截面積突然改變的閥門位置流動也將受到影響。因此不同阻流件對直管段的要求也不同，見圖3，如流量計前有一個彎頭時，前面的直管段要求20倍的管道內徑，后面的直管段要求5倍的管道內徑。而流量計前有兩個彎頭時，前面的直管段要求40倍的管道內徑，后面的直管段要求5倍的管道內徑。

    （3）有振動的管道，渦街流量計表頭水平安裝，對于振動較強的管系，設置減振裝置。

    （4）如有可能安裝旁通管，便于檢修。

    （5）測量含有少量異相的流體時，注意傳感器的安裝位置。如測量介質中還有固體物時，流量計應安裝在不易沉淀的地方；而測量介質為氣體，其中含有液體時，應在流量計前安裝排放閥，否則會產生氣錘，損壞傳感器。

    （6）介質溫度較高時，流量計表頭向下安裝，或選用分體式流量計。

    （7）渦街流量計信號傳輸電線應采用金屬屏蔽電線，要有良好的接地措施。遵循一點接地原則。

    （8）管道隔熱保溫。一般測量蒸汽時，管道隔熱保溫是防止能量散失的重要手段，當對渦街流量計進行隔熱處理時，應確保渦街流量計的傳感器和電路部分暴露在外，確保熱量向外射以防止儀表電子部件過熱。

    （9）為防止氣穴現象發生，渦街流量計進口壓力要滿足要求：

     （4）

    Δp-渦街流量計的壓損；Pv-使用溫度下的液體的絕對飽和蒸汽壓。

圖3 渦街流量計直管段最小要求