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 涡街流量计的客户化标校
发布时间:2017-09-21

0引言
  空气吹过烟囱,河水流过桥墩会在烟囱、桥墩后产生漩涡。漩涡会引起震动,空气与河水的震动可能引起烟囱、桥墩的共振,造成烟囱断裂、桥墩倒塌,给人们的生产、生活带来巨大的损失。这就是卡门涡街在自然界的存在。美籍匈牙利科学家冯.卡门(Karman)1906在德国哥廷根大学做助教期间,协助德国普朗特教授做哈依门兹水槽试验时,发现水流流过水槽的圆柱体后,在圆柱体后边产生两列规律性的漩涡,涡街是反对称的,涡系的动量与阻力有关。因为卡门对这一自然现象的发现及深入研究,人们将上述漩涡现象定义为卡门涡街。
  卡门涡街不都是巨大的破坏力,人们利用卡门涡街的规律性,研究制造了涡街流量计。涡街流量计主要应用于封闭管道流量的测量,可以测量气体、液体及蒸汽。涡街流量计结构紧凑、无可动部件、压损小、量程比宽、精度高、安装简易、维护量低,正逐步取代传统的差压式流量计和容积式仪表,成为市场的主要流量测量仪表。
  涡街流量计由传感器和转换器组成,传感器可以选择压电应力式、电容式、光纤式等多种传感器。压电应力式涡街传感器应用是最多的,技术成熟度、产品稳定性也是最高的。该种传感器可在-20℃~+250℃的介质温度范围内工作,可以输出模拟量信号,也可以输出脉冲信号。经过涡街转换器做信号处理,产品可以输出标准的4~20mA信号和脉冲信号,部分厂家产品还可以带FF总线或PA总线输出,也有带RS485接口的产品。通过这些输出信号可以和PLC或DCS系统实现数据传输。带RS485接口的产品还可以配合无线传输设备,实现仪表数据的远程无线传输管理,为用户带来极大地便捷。
1涡街流量计的工作原理、涡街流量计分类及温压补偿涡街的发展
1.1涡街流量计原理
  涡街流量计又被称为卡门涡街流量计、漩涡流量计,是应用卡门涡街原理制造的一种流量测量仪表。仪表测量管里安装一个发生体,当介质流过发生体,会在发生体后产生漩涡,漩涡的频率f和介质的流速v成正比,通过对频率的检测,达到测量流速的目的。涡街流量计原理图,如图1所示。
涡街流量计原理图
涡街流量计计算公式如下:f=st*v/d
(f:频率Hz;st:斯特劳哈尔系数,无量纲;v:流速,单位m/s;d:漩涡发生体宽度,单位m)
  st是是斯特劳哈尔系数,是雷诺数的函数。当雷诺数Re>2*104<7*106时,可认为一个固定的常数。因此,通过检测频率f,就可以检测到流速v,流速v检测到后,就可以通过公式计算介质体积流量或质量流量了。
体积流量计算公式:q=v*A(q:体积流量、A管道截面积)
质量流量计算公式:Q=3600*v*A*ρ(Q:质量流量;ρ:介质密度)
1.2涡街流量计分类
  按照与管道连接形式,可分为法兰型、夹持型或插入型。
  按传感器测量原件种类分热敏式、应力式、电容式、应变式、超声式、振动体式、光电式和光纤式。
  按防爆类型分非防爆型、本安型、隔爆型、复合防爆型等。
  目前国内外应用最多的是应力式、管道连接的涡街流量计。
1.3温压补偿涡街流量计的发展
  涡街流量计原理介绍当中涡街流量计可以测量介质的质量流量,对于液体介质或密度变化不大的介质,涡街流量计计算出的质量流量精度高。但是在实际使用中,特别是气体或蒸汽的测量,由于工况温度、压力的波动,造成介质密度波动大,所以涡街流量计测量的质量流量误差就大。由此可见,对涡街流量计所测量的介质密度在线修正很有必要。这就要求涡街流量计要集成温度、压力信号,在线进行温度及压力的修正,保证质量流量输出的精度。温度、压力及流量集成到1台仪表上的一体化结构是最优的选择。目前国外部分知名厂家,国内少数厂家能够生产一体化带温度及压力补偿的涡街流量计。工艺管道上外配温度传感器和压力传感器,把温度及压力信号传输到流量计算机得到的质量流量在系统精度上要低于一体化温压补偿涡街流量计[3]。一体化温压补偿涡街流量计是今后涡街流量计的一个发展方向。一体化温压补偿涡街流量计原理图,如图2所示。
一体化温压补偿涡街流量计原理图
2涡街流量计的标定、检定方法
  涡街流量的制造及检定单位大部分采用标准表法进行标校和检定。标准表法就是用涡轮流量计、质量流量计、音速喷嘴等作为标准表,把被检测的仪表串联到检测装置上,通过标准表来标校、检定被测量仪表,通过比较被测仪表与标准表的读数,求得被测量仪表的偏差,然后进行调校[4]。
2.1标准表法标校装置的优点
1)标准表法装置体积小、重量轻、构造简单、操作方便、制造及维护成本低。
2)标准表法装置可以用来标校液体或气体介质的流量。
3)标准表的流量计与被检流量计串联安装于同一个测量系统中,标准表和被测量仪表间距离小、时间误差可以忽略。
4)标准表选择种类很多,可以选择电磁流量计、超声波流量计、涡轮流量计、质量流量计等,选择空间大。
2.2标准表法标校装置的缺点
1)标准表需要严格按照计量部门要求定期做检查,只有合格了才能够用于检测;企业自身也要不定期进行自检,保证标准表及装置使用过程中的性能。
2)标准表法标校装置在标校仪表的过程中要对标校介质进行温度及压力修正,保证标校精度。
3)标准表法装置系统精度受标准表精度的影响大。
3影响涡街流量计使用精度的因素
  涡街流量计自身传感器及转换器性能决定了这款产品的性能,然而仪表安装使用因素也会影响仪表的性能,为保证涡街流量计精度,安装使用有如下要求。
1)涡街流量计建议安装到水平或垂直管道,并保证管道充满介质。
2)涡街流量计对前后直管段要求较高,一般要求大于前20D,后5D(D管道口径)。
3)涡街流量计尽量避免安装在有强烈震动的地方,尽量远离泵与阀门,必要时做适当的管道支撑。
4)涡街流量计安装位置要远离强磁场或强电场的干扰。
5)保证涡街流量计漩涡发生体处于迎流面。
6)涡街流量计转换器使用环境温度一般为-40℃~85℃,根据实际情况配保温箱或遮阳罩。
涡街流量计安装示意图[3],如图3所示
涡街流量计安装示意图


直管段要求
涡街流量计直管段安装示意图
图3涡街流量计安装示意
①一般入口直管段无干扰情况下≥20DN
②调节阀后≥50DN
③缩管后≥20DN
④90℃弯头后≥20DN
⑤两个90℃弯头后≥30DN
⑥两个三维90℃弯头后≥40DN
4涡街流量计的客户化调校
由于涡街流量计测量原理、传感器类型、标定装置、
  安装使用等原因,涡街流量计在出厂到达用户现场或计量站时,出厂的标校精度可能会与用户现场标准表或计量检定结果发生产生偏差,这时就要对仪表系数进行现场调整,以满足用户或计量机构的检定要求。客户化调校有如下2种情况:
1)仪表整体的正偏差或负偏差。如果仪表出现整体正偏差或负偏差,只要调整仪表系数就可以了。公式如下:
Knew=Kold×(Q仪表显示流量)/(Q标准流量)
2)仪表非线性超差。非线性超差是指一台涡街流量计在不同流速下的误差有正有负,并且达不到精度要求。出现此问题的主要原因可能是仪表口径与检定时的管段口径有差异,或是检定时的雷诺数和厂家标定时的雷诺数有很大差异造成的。
目前涡街流量计生产厂家可以根据用户需求提供欧标、美标或是日标法兰连接法兰仪表。同样法兰标准,相同口径、相同压力等级,不同品牌的涡街流量计产品法兰内孔尺寸是有差别的。仪表内孔和连接管道内孔有微小的差别,可以引起仪表非线性误差,这种情况是最多的。
  造成厂家标定时的雷诺数和检定时的雷诺数不同的主要原因是:大多数涡街流量计的制造厂都是用水作为标校介质来进行标定。涡街流量计的原理告诉人们无论介质是什么,对同一台仪表来说,在单位工况流量体积下产生的脉冲数是一个常数,即仪表系数K。因为涡街流量计的这个优点,用水标定的涡街流量计可以用于测量气体或蒸汽,但这个应用前提是要雷诺数大于20000才能保证精度。有些时候,仪表在用户现场或计量站检定时,雷诺数小于20000,导致仪表不满足精度要求。这种情况产生的非线性误差较小,但也偶见。
  上述2种情况不可避免,仪表制造厂不能因为自己仪表内径原因,要求用户改管道或因为雷诺数低就要求用户更换仪表,可以采用多点非线性修正,达到满足用户使用的要求。这里介绍一种有效的方法,实现这一目的。具体说就是把测量范围分段,取一个仪表常数,让每段测量范围都符合精度要求,这种方法实现的过程要考虑雷诺数的影响。下面是计算模型[3]。


  通过上述6步计算,可实现仪表的非线性修正。利用上述计算结果,通过Hart手操器或仪表按键,把修正参数输入仪表转换器,转换器就可以将原本非线性的曲线重新线性化,达到校正目的。转换器该功能的实现要通过前期转换器软件设计实现。这样通过线性及非线性修正,就可实现客户化的调校,满足用户需求。
5结束语
  涡街流量计是一款好产品,国外的设计规范已经把涡街流量计放到了差压式流量仪表选型之前,作为小管径(<DN300)、气体、液体、蒸汽流量测量的首选。随着国内合资产品、民族品牌产品的性能完善与提高,涡街流量计在中国市场会有大的发展。

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