摘要：渦街流量計是石油化工裝置中十分常用的一種流量測量儀表，但渦街流量計實際使用中的測量效果常常不盡如人意，筆者根據(jù)多年的渦街流量設(shè)計及使用經(jīng)驗，結(jié)合實際項目中出現(xiàn)的問題及失誤情況，對渦街流量計的選型及使用中特殊性進(jìn)行梳理與論證，針對渦街流量計的固有特性及測量上下限的特殊性進(jìn)行分析，指明渦街流量計特有的應(yīng)用注意事項。

渦街流量計是石油化工裝置中十分常用的一種流量測量儀表，可以用于測量工藝管道中各類氣體、液體、蒸汽介質(zhì)流量。因其量程范圍大，測量精度高，無可動機(jī)械零件，可靠性高，維護(hù)量小等優(yōu)點得到了設(shè)計單位及用戶的廣泛認(rèn)可。但在渦街流量計的設(shè)計選型及使用過程中，往往會出現(xiàn)各種各樣的問題從而導(dǎo)致實際的使用及測量效果不盡如人意，出現(xiàn)這些問題的主要原因絕大部分都是由于設(shè)計選型或安裝施工過程中沒有充分考慮到渦街流量計的特殊性造成的。

1、渦街流量計的測量原理

在流通的管道內(nèi)設(shè)置適當(dāng)形態(tài)、尺寸的非流線型柱體，即渦街發(fā)生體，在流體流通過渦街發(fā)生體時，會在發(fā)生體兩側(cè)交替產(chǎn)生漩渦，漩渦脫落并向下游傳播，形成形似交叉排列街燈的漩渦列，這種現(xiàn)象被稱作卡門渦街。

單位時間內(nèi)產(chǎn)生的漩渦數(shù)量即為渦街頻率，此頻率與流速成線性正比關(guān)系，渦街流量計正是利用卡門渦街的這種特性，通過測量管道內(nèi)渦街發(fā)生體后的渦街頻率，計算出管道內(nèi)介質(zhì)的流速從而達(dá)到測量流量的目的。

工況體積流量由下式給出：Qv=3600×（f/K）

式中，Qv為工況體積流量(m³/h)；f為渦街頻率(Hz)；k為渦街流量計儀表系數(shù)，K=St/（A×d），其中：St為斯特羅哈爾數(shù)，在渦街流量計標(biāo)稱測量范圍之內(nèi)，可被作與流體特性無關(guān)，A為流量計流通管橫截面積，d為渦街發(fā)生體迎流面寬度。

2、關(guān)鍵測量元件

為了準(zhǔn)確測量渦街頻率，測量元件材質(zhì)及形式的選擇就變得尤為重要。由于工業(yè)領(lǐng)域的流體，固有的臟污、含雜質(zhì)、高溫/低溫、高壓、腐蝕等特征，曾經(jīng)出現(xiàn)過的熱敏、磁敏、激光尾流、超聲尾流等種類繁多的漩渦探測方式已消失不見，通過感測漩渦橫向升力識別漩渦的力敏檢測方式成為渦街流量計制造商的一致選擇，其中，采用壓電晶體敏感元件的應(yīng)力式渦街傳感器為絕大多數(shù)制造商使用，直接原因在于，漩渦升力與流量平方成正比，同時與流體工況密度成正比，為實現(xiàn)20:1的量程比，保證出現(xiàn)渦街的必要性，傳感器必須在足夠厚度/強(qiáng)度的耐腐蝕金屬包裹之下，同時為應(yīng)對低密度/低壓氣體流量測量，傳感器必須具備堪比麥克風(fēng)的*高靈敏度;而為應(yīng)對蒸汽，液體介質(zhì)的強(qiáng)大漩渦升力，則需可長期承受強(qiáng)如鐵錘重?fù)舭愕目量讨剌d，顯然，應(yīng)力式傳感器更為適宜。

對比制造商樣本資料，即可發(fā)現(xiàn)，可實現(xiàn)10：1以上的量程比的渦街流量計基本均采用應(yīng)力式(壓電晶體)傳感器。

3、流量計的固有特性

(1)由原理可以得出：渦街流量計測量的是工況體積流量，產(chǎn)品銘*給出K系數(shù)含義是：K個漩渦=1m³，渦街流量計原始信號與輸出信號之間為簡單的線性正比關(guān)系，不可因慣用差壓類流量計的經(jīng)驗，進(jìn)行開方運算；

(2)渦街流量計通過對于所產(chǎn)生漩渦數(shù)量的累計計數(shù)得到累計流量，通過計數(shù)單位時間之內(nèi)的漩渦個數(shù)得到瞬時流量。測量的難題主要表現(xiàn)為：在復(fù)雜因素(或工況)干擾下，正確判定漩渦的有/無；

(3)渦街流量計在檢測流量時，*要的是判斷漩渦的有無，即生成數(shù)字信號的“1”、“0”，進(jìn)而計數(shù)得到流量，因此，渦街流量計本質(zhì)上為數(shù)字測量原理，由此呈現(xiàn)出與常用的其它模擬原理流量計大相徑庭的特征：

①如能正確識別漩渦的有/無，則表現(xiàn)出優(yōu)異的測量精度；

②如果在判斷漩渦有/無時出現(xiàn)錯亂，則呈現(xiàn)無法接受的巨大誤差，甚至于不能正確反映信號變化趨勢。

對比熟知的模擬類流量儀表如差壓類、電磁類等等，是以信號強(qiáng)弱測得流量大小，而渦街流量計卻是以信號頻率的高低測得流量大小。因此，干擾對于模擬類流量儀表流量示值的影響往往取決于干擾的強(qiáng)度，在流量低于下限時，更多的表現(xiàn)為精度超差，但可反映流量變化趨勢。并且，干擾信號的頻率通常與模擬類流量計的信號差異明顯，簡單的濾波就可以有效降低干擾信號幅度，從而抑制干擾的影響。

4、渦街流量計選型的特殊性

渦街流量計的選型與其他流量計選型一樣，*先面臨的問題是口徑規(guī)格的選擇，選擇依據(jù)是根據(jù)工藝要求的測量范圍，對比各口徑規(guī)格渦街流量計的測量范圍下限及上限，確定適當(dāng)?shù)囊?guī)格。但須注意的是：渦街上/下限，因原理的特殊性，必須謹(jǐn)慎考量，工程實踐足以證明：大多數(shù)的渦街運行不良、測量失敗，來源于測量上/下限的重視不足，甚至理解偏差。渦街流量計是對于流暢畸變、旋轉(zhuǎn)流等較敏感的流量計，應(yīng)有足夠長度的直管段或裝設(shè)流動調(diào)整器才能保證測量精度。

(1)渦街流量計的測量下限的特殊性

渦街流量計的測量下限不是定值，即使同一臺渦街流量計，測量相同狀態(tài)流體時，流量測量下限根據(jù)工況不同也可能產(chǎn)生變化。流量低于下限時，*好的情況只能是示值為零，不能反映流量趨勢。渦街流量計的測量下限，由雷諾數(shù)、流體工況密度、傳感器及信號處理系統(tǒng)的增益(放大倍率)信號處理系統(tǒng)的低端頻響，渦街流量計的抗干擾能力、現(xiàn)場干擾強(qiáng)度等因素共同制約，因而變化范圍很大，不能簡單的查詢、引用產(chǎn)品樣本給出的下限數(shù)據(jù)。正確的做法是：針對上述所有因素，分別計算或查詢出各自限定的流量測量下限，取*高值，作為產(chǎn)品實際下限。

渦街流量計產(chǎn)生漩渦的橫向升力與流量的平方成正比，同時與流體密度成正比，因此，在流量減小時，信號強(qiáng)度以二階關(guān)系急劇下降，在小流量時，渦街信號容易降至與信號強(qiáng)度相當(dāng)，甚至湮沒在干擾之中，無法正確識別漩渦的有無，致使錯誤地的將干擾識別為漩渦。所產(chǎn)生的誤差，并非如模擬式流量計般，取決于干擾的幅度，而是干擾的頻率，由此，在干擾頻率與渦街頻率差異大時，即使信噪比不低，也可產(chǎn)生*大誤差，為此，渦街流量計必須在信號處理中設(shè)定一個信號識別的強(qiáng)度下限，將強(qiáng)度低于下限的干擾及流量一并舍棄，盡量避免將強(qiáng)度不大、而頻率不低的干擾信號誤認(rèn)為渦街信號，以免差生*大誤差。因此渦街流量計的測量下限受干擾影響*大，低于下限的流量無法給出有意義的示值。

根據(jù)工程經(jīng)驗，在眾多影響渦街測量下限的因素中，渦街流量計的抗干擾能力，以及現(xiàn)場干擾強(qiáng)度是決定渦街流量計測量下限的主要因素，眾所周知的“渦街怕振動”，實際原因就是：欲測流量已經(jīng)低于渦街流量計在現(xiàn)場振動干擾下的實際測量下限，反之，只要流量夠大，超過測量下限，是不存在“渦街怕振”這種說法的。由于漩渦升力與流量之間成二階正比關(guān)系，在流量減小時，渦街信號急劇減弱，而渦街原理是通過正確識別漩渦的有/無，進(jìn)而計數(shù)單位時間內(nèi)漩渦個數(shù)(即渦街頻率)得出流量，干擾對于渦街產(chǎn)生作用并非如其他儀表一般，作用于信號幅度，引發(fā)與干擾強(qiáng)度成正比的誤差，而是以干擾頻率影響渦街頻率的識別，產(chǎn)生的誤差主要源于渦街信號與干擾信號的頻率差值，即使微弱的干擾，因頻率差異，也可導(dǎo)致難以接受的而巨大誤差，因此，渦街流量計必須按干擾信號幅度設(shè)置取舍門限，舍棄幅度低于門限的信號，只對高于門限的信號進(jìn)行漩渦的識別處理，由此防止誤將干擾頻率認(rèn)作渦街頻率，從而實現(xiàn)零點穩(wěn)定。在此，需清晰認(rèn)識的是，流量越小，信號越弱，舍棄門限越高，意味著舍棄的流量越高，這正是干擾造就測量下限的原因。

在現(xiàn)場常見需調(diào)整渦街流量計的靈敏度，實質(zhì)就是調(diào)整信號的取/舍門限，可以清晰的看到，調(diào)高靈敏度即降低信號幅度的取舍門限，流量計的測量下限即可下延，但在更多情況之下，則是為了實現(xiàn)無流量時，示值為零，須降低靈敏度，即提升舍棄門限，流量測量下限隨之上升，甚至超過欲測流量，導(dǎo)致測量失敗。

渦街流量計對抗干擾的這種機(jī)理，意味著當(dāng)流量低于測量下限時，其他模擬原理流量計(如差壓類流量計、電磁流量計、科氏力質(zhì)量流量計、熱式質(zhì)量流量計、超聲波流量計等)一般表現(xiàn)為誤差超標(biāo)，但依舊能反映流量變化趨勢，而此時，渦街流量計的*好表現(xiàn)為示值為零，否則只會給出凌亂無章的示值。針對渦街的這一特征，在選型時，須充分估計到工藝提供準(zhǔn)確*小流量的難度，預(yù)留足夠低的測量下限，在合理的范圍內(nèi)盡量擴(kuò)大流量計測量下限與工藝介質(zhì)*小流量之間的緩沖區(qū)域，可以*大的提高渦街流量計在震動工況中的可用性。

(2)渦街流量計的測量上限的特殊性

流量超過上限，誤差超乎想象。更大的危害是：傳感器/發(fā)生體斷裂，威脅下游設(shè)備的安全。渦街流量計的測量上限，受信號處理系統(tǒng)的高端頻響特征、傳感器/渦街發(fā)生體的抗載能力等因素限制，制造商在樣本之中，普遍給出氣體、蒸汽、液體三類流體的*高可測流速上限，乘以流通管橫截面積，即可核算為工況體積流量上限，進(jìn)一步可核算為所需的標(biāo)況體積，質(zhì)量流量上限。

對于渦街流量計的測量上限，源于其原理的特殊性，以下兩點宜謹(jǐn)慎考量：超限倒走現(xiàn)象與傳感器/渦街發(fā)生體斷裂現(xiàn)象。

通常情況之下，流量越大，渦街的穩(wěn)定性越差，在超出上限流量時，信號處理系統(tǒng)的高端頻響限制，將進(jìn)一步擴(kuò)大不穩(wěn)定度，使得漏計漩渦的比例隨流量升高急劇上升，現(xiàn)場表現(xiàn)為：流量越大，指示越小的特有“倒走”現(xiàn)象，測量誤差超出百分之?dāng)?shù)十、甚至數(shù)百，有些制造商在產(chǎn)品樣本中聲明：采取特殊算法，消除這種“倒走”現(xiàn)象，使得超限后，如其他流量計般維持為上限示值，可減小“倒走”帶來的誤差，但應(yīng)該注意的是，這一做法，也使現(xiàn)場判定超限更加困難，且能產(chǎn)生下述風(fēng)險：

由于傳感器受到的漩渦升力與流量的平方成正比，在流量超出上限時，可能因過載損傷傳感器，對于非應(yīng)力式(壓電晶體)傳感器尤為嚴(yán)重，更強(qiáng)的破壞作用源于：渦街信號基頻、諧波頻率升高到傳感器/渦街發(fā)生體的自有共振頻率，致使其共振斷裂，斷裂部件高速撞向下游設(shè)備，可能造成重大損失。渦街流量計所產(chǎn)生的漩渦頻率與口徑規(guī)格呈反比，因此，口徑越小，渦街頻率越高，漩渦傳感器產(chǎn)生共振的機(jī)率越大，共振斷裂的風(fēng)險越大。在高流速的蒸汽流量測量中，出現(xiàn)傳感器斷裂的案例更為多見。一些產(chǎn)品將渦街發(fā)生體與漩渦傳感器合并一體，即：將壓電晶體封裝在渦街發(fā)生體之中，這種結(jié)構(gòu)的渦街發(fā)生體須設(shè)計為懸臂梁或絞支梁結(jié)構(gòu)，在液體流量超限或是水錘作用、異物撞擊下，也易產(chǎn)生渦街發(fā)生體斷裂現(xiàn)象，需謹(jǐn)慎對待。

5、結(jié)束語

渦街流量計作為公認(rèn)的未來主流流量計之一，更多承擔(dān)氣體及低粘度液體的流量測量，應(yīng)用面快速增長。但必須看到的是:基于當(dāng)前技術(shù)水平，市場上的產(chǎn)品距離充分展現(xiàn)渦街原理優(yōu)勢，還存在很大差距，產(chǎn)品間的性能差異明顯大于其他儀表，在選用時需謹(jǐn)慎甄別。因此，只有對渦街固有特征認(rèn)識清晰，才能獲得良好的應(yīng)用效果。