超声式涡街在计量领域中技术应用优势和选型分析

摘 要

本文阐述了超声式涡街在计量领域中技术应用优势和选型，以便和同行交流与切磋。

【关键词】超声式涡街 计量领域 技术应用

随着国家工业化和经济的深入发展和大力推进，以及能源计量领域的深入和持续开展；自21世纪以来，各种新型的计量仪表被国内公司从国外引入和消化，其中不乏一些在原有传统计量仪表领域有突破性的产品，作为生产过程控制和工艺控制的关键数据，以及节能降耗等能源方面的计量需求，流量仪表正在起着无可替代的关键作用，而且正在发挥更大作用的历史角色。本文，从突破传统计量能力的角度重点阐述一款新型的液体流量计量器具—--超声式涡街流量计。

1 超声式涡街产品行业状况

超声式涡街最早是由天津大学在20实际90年代的论文集中提及的一种高精度的流量计。但是国内一直鲜有产品销售，市场推广和认可度很低。只有少数几家如俄罗斯米特兰和美国的一家生产气体超声涡街的代理产品在销售。而且产品的真实性能有待于考证。

目前，该产品已经实现了国产化，但生产厂家较少。2007年4月18日，石家庄奥森自动化仪表有限公司承担的国际科技合作重点项目“带HART协议的智能型超声涡街流量计（中俄）”通过了国家科技部的验收。推进了该型产品国产化应用的步伐。

该产品在如下几个方面有着比较突出的使用特点：

（1）优越的小流量测量能力，下限流速可达0.05m/s，量程可达1：100。不用于应力式涡街产品，该产品是通过超声波检测漩涡分离的个数，使得小流量的测量能力得到了极大强化。这种独特的检测手段使得管路振动、工作温度、压力变化对计量精度不会产生影响，从而充分满足液体计量中的低流速且流量变化大的特点；

（2）智能修正：产品中内置的温度传感器，对温度变化大的热网流量进行实时补偿和修正流体的雷诺数；结合微电子新型滤波技术对涡街振荡周期和分散度进行智能化运算，从而切实保障了测量的准确性；

（3）耐温性能：耐温范围0-150度，较大范围的涵盖了能源、热媒介质领域的高热温度场合；

（4）结构创新：独特的提速喷嘴与测量本体一体化设计，不同于普通的变径，它起到了改善流体分布和提速的双重作用且方便了现场安装；其中，提速喷嘴特殊的断面几何形状，最大限度减小流体的阻力损失，改变流体的流速分布，提高测量的稳定性，减小前后直管段的安装长度，一般情况前5D，后2D；

（5）维修便捷：新型变压器隔离型实现了在线可拆卸超声发送器和接收器；

（6）总线功能：具备HART总线协议，可实现远程调校、调试功能。

2 超声式涡街工作原理：

超声涡街转换器的基本原理是基于“卡门涡街”原理，在流通体液流横截面中插入一个梯形棱柱体，流体通过梯形棱柱体时，在柱体两侧交替产生旋涡，旋涡不断产生和分离，便在柱体下游形成两列旋涡列，即“涡街”，理论分析与实验已证明，旋涡形成的频率与流体的流速成正比，与梯形棱柱体迎流面宽度成反比，如下公式：

f=St×（V/d）

f——旋涡形成的频率；

v——流体平均流速；

d——发生体（梯形棱柱）迎流面宽度；

St——斯特劳哈尔系数。是一个取决于柱体断面形状而与流体的性质和流速的大小（在一定的雷诺数范围）无关的无量钢常数。

旋涡交替分离，通过装在流通体壁两侧超声检测器件的检测，实现旋涡频率的转化，从而输出与旋涡频率相同的电压脉冲信号。

电路处理部分由电流发生器、相位检测器、微处理器、滤波器、D/A转换电路、脉冲输出隔离电路组成，

微处理器对转换器输出的电压信号进行模拟处理后输出给相位检测器，相位检测器将此信号与1MHz方波信号源进行相位比较，并根据相位差输出相应的频率信号，经滤波器滤除干扰信号后输出给微处理器。根据所设定的口径及测量温度，微处理器计算得出准确的瞬时流量、累计流量等数据，并转化为对应的D/A输出值和脉冲输出值，经D/A转化电路和脉冲隔离电路分别输出4～20mA模拟电流信号和4～20mA电流脉冲信号。

3 超声式涡街存在的问题分析和局限性

（1）该类型流量计只能用来测量相对纯净的液体；对于气体和蒸汽不能适用；通过实际测试，美国的某款气体超声涡街流量计实际的计量范围和下限并不出色；

（2）低流量国内检定难度大，因为国内大多检定装置采用标准表法，检定时需要在恒压稳流的情况下进行标准表对比，在标准表和液体源方面通常都不具备检定条件。

4 超声式涡街和其它仪表的应用优劣简单分析和对比

国内用量较多的热水计量仪表有如下三种：

（1）超声波流量/热量计；

（2）电磁流量/热量计；

（3）超声涡街流量/热量计。

针对主要的热网关联的参数和工况条件，几种计量仪表的特点如下：

（1）上、下限测量能力：电磁满足工业流体计量，满足高精度计量一般在1m/s以上；目前各厂家参数和应用一般都要求在0.2m/s以上；上限理论上不受影响；采用时差法测量超声波流量计，一般标称下限也是0.2m/s以上，上限标称12m/s；超声涡街标称的下限流速是0.05m/s，上限经检测最高可到7m/s；

（2）耐温和温度影响：三种仪表经过处理都可以耐高温到120度到150度，满足热网条件；至于温度对于流量雷诺数的影响，只有超声涡街内置了温度芯片对不同温度下的雷诺数进行了在线修正；

（3）直管段要求：电磁和超声涡街的直管段要求都较低，前5D后2D；

（4）其它因素：供热管网中的气体影响对各种仪表都有所影响，应尽量避免；在仪表前后按照排气阀是较常用的做法；电导率对电磁流量计有所影响，原则上讲如果管网中软化水不建议使用电磁流量计；时差法超声波流量计，使用口径越大优势越大，精度相对会更高；超声涡街的口径目前受一定限制，最大口径只能做到DN400。

通过上述比较，超声式涡街具备一些独特的其它仪表所不具备的优点。尤其国产化以后，使用成本进一步降低，随着供热工况条件的进一步优化以及吸收现场更多的数据和应用经验，掌握核心技术的厂家势必会将该产品从应用层面推到更高的一个高度。

参考文献

[1]超声涡街流量传感器企业标准 [Z]. Q/SAZ 02-2012.

[2]梁国伟，蔡武昌主编.流量测量技术及仪表[M].北京：机械工业出版社，2002（05）.

作者单位

石家庄奥森自动化仪表有限公司 河北省石家庄市 050000

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