超聲式渦街在計量領域中技術應用優勢和選型分析

蒲金龍　胡艷艷

摘 要

本文闡述了超聲式渦街在計量領域中技術應用優勢和選型，以便和同行交流與切磋。

【關鍵詞】超聲式渦街 計量領域 技術應用

隨著國家工業化和經濟的深入發展和大力推進，以及能源計量領域的深入和持續開展；自21世紀以來，各種新型的計量儀表被國內公司從國外引入和消化，其中不乏一些在原有傳統計量儀表領域有突破性的產品，作為生產過程控制和工藝控制的關鍵數據，以及節能降耗等能源方面的計量需求，流量儀表正在起著無可替代的關鍵作用，而且正在發揮更大作用的歷史角色。本文，從突破傳統計量能力的角度重點闡述一款新型的液體流量計量器具—--超聲式渦街流量計。

1 超聲式渦街產品行業狀況

超聲式渦街最早是由天津大學在20實際90年代的論文集中提及的一種高精度的流量計。但是國內一直鮮有產品銷售，市場推廣和認可度很低。只有少數幾家如俄羅斯米特蘭和美國的一家生產氣體超聲渦街的代理產品在銷售。而且產品的真實性能有待于考證。

目前，該產品已經實現了國產化，但生產廠家較少。2007年4月18日，石家莊奧森自動化儀表有限公司承擔的國際科技合作重點項目“帶HART協議的智能型超聲渦街流量計（中俄）”通過了國家科技部的驗收。推進了該型產品國產化應用的步伐。

該產品在如下幾個方面有著比較突出的使用特點：

（1）優越的小流量測量能力，下限流速可達0.05m/s，量程可達1：100。不用于應力式渦街產品，該產品是通過超聲波檢測漩渦分離的個數，使得小流量的測量能力得到了極大強化。這種獨特的檢測手段使得管路振動、工作溫度、壓力變化對計量精度不會產生影響，從而充分滿足液體計量中的低流速且流量變化大的特點；

（2）智能修正：產品中內置的溫度傳感器，對溫度變化大的熱網流量進行實時補償和修正流體的雷諾數；結合微電子新型濾波技術對渦街振蕩周期和分散度進行智能化運算，從而切實保障了測量的準確性；

（3）耐溫性能：耐溫范圍0-150度，較大范圍的涵蓋了能源、熱媒介質領域的高熱溫度場合；

（4）結構創新：獨特的提速噴嘴與測量本體一體化設計，不同于普通的變徑，它起到了改善流體分布和提速的雙重作用且方便了現場安裝；其中，提速噴嘴特殊的斷面幾何形狀，最大限度減小流體的阻力損失，改變流體的流速分布，提高測量的穩定性，減小前后直管段的安裝長度，一般情況前5D，后2D；

（5）維修便捷：新型變壓器隔離型實現了在線可拆卸超聲發送器和接收器；

（6）總線功能：具備HART總線協議，可實現遠程調校、調試功能。

2 超聲式渦街工作原理：

超聲渦街轉換器的基本原理是基于“卡門渦街”原理，在流通體液流橫截面中插入一個梯形棱柱體，流體通過梯形棱柱體時，在柱體兩側交替產生旋渦，旋渦不斷產生和分離，便在柱體下游形成兩列旋渦列，即“渦街”，理論分析與實驗已證明，旋渦形成的頻率與流體的流速成正比，與梯形棱柱體迎流面寬度成反比，如下公式：

f=St×（V/d）

f——旋渦形成的頻率；

v——流體平均流速；

d——發生體（梯形棱柱）迎流面寬度；

St——斯特勞哈爾系數。是一個取決于柱體斷面形狀而與流體的性質和流速的大小（在一定的雷諾數范圍）無關的無量鋼常數。

旋渦交替分離，通過裝在流通體壁兩側超聲檢測器件的檢測，實現旋渦頻率的轉化，從而輸出與旋渦頻率相同的電壓脈沖信號。

電路處理部分由電流發生器、相位檢測器、微處理器、濾波器、D/A轉換電路、脈沖輸出隔離電路組成，

微處理器對轉換器輸出的電壓信號進行模擬處理后輸出給相位檢測器，相位檢測器將此信號與1MHz方波信號源進行相位比較，并根據相位差輸出相應的頻率信號，經濾波器濾除干擾信號后輸出給微處理器。根據所設定的口徑及測量溫度，微處理器計算得出準確的瞬時流量、累計流量等數據，并轉化為對應的D/A輸出值和脈沖輸出值，經D/A轉化電路和脈沖隔離電路分別輸出4～20mA模擬電流信號和4～20mA電流脈沖信號。

3 超聲式渦街存在的問題分析和局限性

（1）該類型流量計只能用來測量相對純凈的液體；對于氣體和蒸汽不能適用；通過實際測試，美國的某款氣體超聲渦街流量計實際的計量范圍和下限并不出色；

（2）低流量國內檢定難度大，因為國內大多檢定裝置采用標準表法，檢定時需要在恒壓穩流的情況下進行標準表對比，在標準表和液體源方面通常都不具備檢定條件。

4 超聲式渦街和其它儀表的應用優劣簡單分析和對比

國內用量較多的熱水計量儀表有如下三種：

（1）超聲波流量/熱量計；

（2）電磁流量/熱量計；

（3）超聲渦街流量/熱量計。

針對主要的熱網關聯的參數和工況條件，幾種計量儀表的特點如下：

（1）上、下限測量能力：電磁滿足工業流體計量，滿足高精度計量一般在1m/s以上；目前各廠家參數和應用一般都要求在0.2m/s以上；上限理論上不受影響；采用時差法測量超聲波流量計，一般標稱下限也是0.2m/s以上，上限標稱12m/s；超聲渦街標稱的下限流速是0.05m/s，上限經檢測最高可到7m/s；

（2）耐溫和溫度影響：三種儀表經過處理都可以耐高溫到120度到150度，滿足熱網條件；至于溫度對于流量雷諾數的影響，只有超聲渦街內置了溫度芯片對不同溫度下的雷諾數進行了在線修正；

（3）直管段要求：電磁和超聲渦街的直管段要求都較低，前5D后2D；

（4）其它因素：供熱管網中的氣體影響對各種儀表都有所影響，應盡量避免；在儀表前后按照排氣閥是較常用的做法；電導率對電磁流量計有所影響，原則上講如果管網中軟化水不建議使用電磁流量計；時差法超聲波流量計，使用口徑越大優勢越大，精度相對會更高；超聲渦街的口徑目前受一定限制，最大口徑只能做到DN400。

通過上述比較，超聲式渦街具備一些獨特的其它儀表所不具備的優點。尤其國產化以后，使用成本進一步降低，隨著供熱工況條件的進一步優化以及吸收現場更多的數據和應用經驗，掌握核心技術的廠家勢必會將該產品從應用層面推到更高的一個高度。

參考文獻

[1]超聲渦街流量傳感器企業標準 [Z]. Q/SAZ 02-2012.

[2]梁國偉，蔡武昌主編.流量測量技術及儀表[M].北京：機械工業出版社，2002（05）.

作者單位

石家莊奧森自動化儀表有限公司 河北省石家莊市 050000endprint