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渦街流量計的客戶化標校 發布時間：2017-09-21
0引言 空氣吹過煙囪，河水流過橋墩會在煙囪、橋墩后產生漩渦。漩渦會引起震動，空氣與河水的震動可能引起煙囪、橋墩的共振，造成煙囪斷裂、橋墩倒塌，給人們的生產、生活帶來巨大的損失。這就是卡門渦街在自然界的存在。美籍匈牙利科學家馮.卡門（Karman）1906在德國哥廷根大學做助教期間，協助德國普朗特教授做哈依門茲水槽試驗時，發現水流流過水槽的圓柱體后，在圓柱體后邊產生兩列規律性的漩渦，渦街是反對稱的，渦系的動量與阻力有關。因為卡門對這一自然現象的發現及深入研究，人們將上述漩渦現象定義為卡門渦街。 卡門渦街不都是巨大的破壞力，人們利用卡門渦街的規律性，研究制造了渦街流量計。渦街流量計主要應用于封閉管道流量的測量，可以測量氣體、液體及蒸汽。渦街流量計結構緊湊、無可動部件、壓損小、量程比寬、精度高、安裝簡易、維護量低，正逐步取代傳統的差壓式流量計和容積式儀表，成為市場的主要流量測量儀表。 渦街流量計由傳感器和轉換器組成，傳感器可以選擇壓電應力式、電容式、光纖式等多種傳感器。壓電應力式渦街傳感器應用是最多的，技術成熟度、產品穩定性也是最高的。該種傳感器可在-20℃～+250℃的介質溫度范圍內工作，可以輸出模擬量信號，也可以輸出脈沖信號。經過渦街轉換器做信號處理，產品可以輸出標準的4～20mA信號和脈沖信號，部分廠家產品還可以帶FF總線或PA總線輸出，也有帶RS485接口的產品。通過這些輸出信號可以和PLC或DCS系統實現數據傳輸。帶RS485接口的產品還可以配合無線傳輸設備，實現儀表數據的遠程無線傳輸管理，為用戶帶來極大地便捷。 1渦街流量計的工作原理、渦街流量計分類及溫壓補償渦街的發展 1.1渦街流量計原理 渦街流量計又被稱為卡門渦街流量計、漩渦流量計，是應用卡門渦街原理制造的一種流量測量儀表。儀表測量管里安裝一個發生體，當介質流過發生體，會在發生體后產生漩渦，漩渦的頻率f和介質的流速v成正比，通過對頻率的檢測，達到測量流速的目的。渦街流量計原理圖，如圖1所示。 渦街流量計計算公式如下：f=st*v/d （f：頻率Hz；st:斯特勞哈爾系數,無量綱；v:流速，單位m/s；d:漩渦發生體寬度，單位m） st是是斯特勞哈爾系數，是雷諾數的函數。當雷諾數Re>2*104<7*106時，可認為一個固定的常數。因此，通過檢測頻率f，就可以檢測到流速v，流速v檢測到后，就可以通過公式計算介質體積流量或質量流量了。 體積流量計算公式：q=v*A（q:體積流量、A管道截面積） 質量流量計算公式：Q=3600*v*A*ρ（Q：質量流量；ρ:介質密度） 1.2渦街流量計分類 按照與管道連接形式，可分為法蘭型、夾持型或插入型。 按傳感器測量原件種類分熱敏式、應力式、電容式、應變式、超聲式、振動體式、光電式和光纖式。 按防爆類型分非防爆型、本安型、隔爆型、復合防爆型等。 目前國內外應用最多的是應力式、管道連接的渦街流量計。 1.3溫壓補償渦街流量計的發展 渦街流量計原理介紹當中渦街流量計可以測量介質的質量流量，對于液體介質或密度變化不大的介質，渦街流量計計算出的質量流量精度高。但是在實際使用中，特別是氣體或蒸汽的測量，由于工況溫度、壓力的波動，造成介質密度波動大，所以渦街流量計測量的質量流量誤差就大。由此可見，對渦街流量計所測量的介質密度在線修正很有必要。這就要求渦街流量計要集成溫度、壓力信號，在線進行溫度及壓力的修正，保證質量流量輸出的精度。溫度、壓力及流量集成到1臺儀表上的一體化結構是最優的選擇。目前國外部分知名廠家，國內少數廠家能夠生產一體化帶溫度及壓力補償的渦街流量計。工藝管道上外配溫度傳感器和壓力傳感器，把溫度及壓力信號傳輸到流量計算機得到的質量流量在系統精度上要低于一體化溫壓補償渦街流量計[3]。一體化溫壓補償渦街流量計是今后渦街流量計的一個發展方向。一體化溫壓補償渦街流量計原理圖，如圖2所示。 2渦街流量計的標定、檢定方法 渦街流量的制造及檢定單位大部分采用標準表法進行標校和檢定。標準表法就是用渦輪流量計、質量流量計、音速噴嘴等作為標準表，把被檢測的儀表串聯到檢測裝置上，通過標準表來標校、檢定被測量儀表，通過比較被測儀表與標準表的讀數，求得被測量儀表的偏差，然后進行調校[4]。 2.1標準表法標校裝置的優點 1)標準表法裝置體積小、重量輕、構造簡單、操作方便、制造及維護成本低。 2)標準表法裝置可以用來標校液體或氣體介質的流量。 3)標準表的流量計與被檢流量計串聯安裝于同一個測量系統中，標準表和被測量儀表間距離小、時間誤差可以忽略。 4)標準表選擇種類很多，可以選擇電磁流量計、超聲波流量計、渦輪流量計、質量流量計等，選擇空間大。 2.2標準表法標校裝置的缺點 1)標準表需要嚴格按照計量部門要求定期做檢查，只有合格了才能夠用于檢測；企業自身也要不定期進行自檢，保證標準表及裝置使用過程中的性能。 2)標準表法標校裝置在標校儀表的過程中要對標校介質進行溫度及壓力修正，保證標校精度。 3)標準表法裝置系統精度受標準表精度的影響大。 3影響渦街流量計使用精度的因素 渦街流量計自身傳感器及轉換器性能決定了這款產品的性能，然而儀表安裝使用因素也會影響儀表的性能，為保證渦街流量計精度，安裝使用有如下要求。 1)渦街流量計建議安裝到水平或垂直管道，并保證管道充滿介質。 2)渦街流量計對前后直管段要求較高，一般要求大于前20D，后5D（D管道口徑）。 3)渦街流量計盡量避免安裝在有強烈震動的地方，盡量遠離泵與閥門，必要時做適當的管道支撐。 4)渦街流量計安裝位置要遠離強磁場或強電場的干擾。 5)保證渦街流量計漩渦發生體處于迎流面。 6)渦街流量計轉換器使用環境溫度一般為-40℃～85℃，根據實際情況配保溫箱或遮陽罩。 渦街流量計安裝示意圖[3]，如圖3所示
直管段要求 圖3渦街流量計安裝示意 ①一般入口直管段無干擾情況下≥20DN ②調節閥后≥50DN ③縮管后≥20DN ④90℃彎頭后≥20DN ⑤兩個90℃彎頭后≥30DN ⑥兩個三維90℃彎頭后≥40DN 4渦街流量計的客戶化調校 由于渦街流量計測量原理、傳感器類型、標定裝置、 安裝使用等原因，渦街流量計在出廠到達用戶現場或計量站時，出廠的標校精度可能會與用戶現場標準表或計量檢定結果發生產生偏差，這時就要對儀表系數進行現場調整，以滿足用戶或計量機構的檢定要求。客戶化調校有如下2種情況： 1）儀表整體的正偏差或負偏差。如果儀表出現整體正偏差或負偏差，只要調整儀表系數就可以了。公式如下： Knew＝Kold×(Q儀表顯示流量)/(Q標準流量) 2）儀表非線性超差。非線性超差是指一臺渦街流量計在不同流速下的誤差有正有負，并且達不到精度要求。出現此問題的主要原因可能是儀表口徑與檢定時的管段口徑有差異，或是檢定時的雷諾數和廠家標定時的雷諾數有很大差異造成的。 目前渦街流量計生產廠家可以根據用戶需求提供歐標、美標或是日標法蘭連接法蘭儀表。同樣法蘭標準，相同口徑、相同壓力等級，不同品牌的渦街流量計產品法蘭內孔尺寸是有差別的。儀表內孔和連接管道內孔有微小的差別，可以引起儀表非線性誤差，這種情況是最多的。 造成廠家標定時的雷諾數和檢定時的雷諾數不同的主要原因是：大多數渦街流量計的制造廠都是用水作為標校介質來進行標定。渦街流量計的原理告訴人們無論介質是什么，對同一臺儀表來說，在單位工況流量體積下產生的脈沖數是一個常數，即儀表系數K。因為渦街流量計的這個優點，用水標定的渦街流量計可以用于測量氣體或蒸汽，但這個應用前提是要雷諾數大于20000才能保證精度。有些時候，儀表在用戶現場或計量站檢定時，雷諾數小于20000，導致儀表不滿足精度要求。這種情況產生的非線性誤差較小，但也偶見。 上述2種情況不可避免，儀表制造廠不能因為自己儀表內徑原因，要求用戶改管道或因為雷諾數低就要求用戶更換儀表，可以采用多點非線性修正，達到滿足用戶使用的要求。這里介紹一種有效的方法，實現這一目的。具體說就是把測量范圍分段，取一個儀表常數，讓每段測量范圍都符合精度要求，這種方法實現的過程要考慮雷諾數的影響。下面是計算模型[3]。 通過上述6步計算，可實現儀表的非線性修正。利用上述計算結果，通過Hart手操器或儀表按鍵，把修正參數輸入儀表轉換器，轉換器就可以將原本非線性的曲線重新線性化，達到校正目的。轉換器該功能的實現要通過前期轉換器軟件設計實現。這樣通過線性及非線性修正，就可實現客戶化的調校，滿足用戶需求。 5結束語 渦街流量計是一款好產品，國外的設計規范已經把渦街流量計放到了差壓式流量儀表選型之前，作為小管徑（<DN300）、氣體、液體、蒸汽流量測量的首選。隨著國內合資產品、民族品牌產品的性能完善與提高，渦街流量計在中國市場會有大的發展。
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