CN1018385B - 差压型涡街质量流量计 - Google Patents

Abstract

差压型涡街质量流量计，是传统涡街流量计的重大改进，能测天燃气煤气蒸汽等温度、压力及成分变化大的介质的质量流量，保留涡街流量计的特征和全部优点，量程宽、稳定、加工简单易维护，不受温度、压力和成分的影响。

Description

本发明涉及制造涡街质量流量计的原理、工艺过程及据此原理和工艺所作出的产品-差压型涡街质量流量计。所谓涡街流量计是指利用卡曼涡街原理来测量流速或流量的计量仪表，它是利用至少一个插入于流体流场并垂直于流轴的旋涡发生体3，当流体流经旋涡发生体3时，在发生体两侧下游处产生交替的旋涡，其频率f正比于平均流速U。于发生体内部安装的传感器可检测到这一旋涡频率，从而获得平均流速U。平均流速U与管道流通截面A之积UA即流体的体积流量Q。

当测量气体或蒸汽流量时，比如测量空气、天燃气、煤气、饱和蒸汽、过热蒸汽时，被测介质的温度、压力以及成分的变化会给测量带来不小的影响。在这些测量中人们更关心的是质量流量而不是体积流量。假定被测介质的密度为ρ，则质量流量Qm即为：

Qm＝ρUA    （1）

为了解决质量流量Qm的测量，迄今为止主要采用两种办法。其一是在测量体积流量的同时，测出流体的温度T与压力P（如图1所示），利用气态方程：

Qm=Qvρ=Qvρ_o(P)/(P₀) (T_o)/(T) (Z_o)/(Z) （2）

式中    Qv-工作状态体积流量

ρ-标准状态下密度

PO-标准状态下压力

TO-标准状态下温度

P-工作状态下压力

T-工作状态下温度

Z-介质的压缩系数

ZO-介质标准状态下压缩系数

用计算机自动转换成质量流量或标准状态下的体积流量，这一方法实质上就是对气体介质的体积量进行温度、压力补偿。目前这一方法较易实现，被广泛采用。不过此法不可能补偿因气体成分发生变化而引起的质量误差，即当成分发生变化时，此法对如何准确测定质量流量是无济于事的。再者，即使成分不发生变化，当压力较高时，按（2）式补偿，因ZO与Z差别较大，还须考虑气体压缩系数的影响，致使系统的补偿变得非常复杂而难以进行。这种方法可称为温压型方法。

第二种方法是用测量体积流量和测量密度相结合的方法（如图2所示），将体积流量与密度同时送入计算机算得质量流量。这一办法克服了温压型方法的缺点，可适应成分变化，不必考虑气体压缩系数影响。遗憾的是气体的密度测量远比温度、压力或体积流量的测量复杂得多，目前能采用的密度计测器件不仅昂贵，而且对被测介质的清洁度有苛刻要求，目前还无法适用于较高温度介质，这就大大限制了这一方法的使用范围，因此这一办法在工业上还难于推广应用。这方法可称为密度型方法。

US4372169提供一种（一类）质量流量计，其解决方案的要点是：在流段中作有产生阻力的发生体和节流部分;在发生体和节流部分之间取得一个压力，与流段外的压力产生一个差压。对比文件US4372169指出这个差压直接反映了流过流段的气体的质量流量，文件列出的许多方案中无不具有一环形通路的发生体，这一发生体与节流部分的连 接保证产生高度稳定的旋涡，这一旋涡提供了气体质量流量与差压之间的一个予知的关系即：

M＝-A∑P⁴+B∑P³-C∑P²+D∑P+E （3）

此处M为质量流量，式中的P按对比文件上下文关系推定似应为△P，仅当差压计一端可视为真空压力时，△P才等价于P_o对比文件强调A、B、C、D、E与部件尺寸有关，且A比D小五个量级，B比D小三个量级，C比D小一个量级，高次项可忽略，基本上是一个线性函数。即质量流量表现为差压的线性函数。

仔细分析这一对比文件，可发现两个问题。其一，这一技术方案尽管有多种结构形式，但都离不开具有环形通路的发生体和阻力较大的节流部分，当流体全部流经发生体及节流部分时，势必造成较大的压力损耗，工艺上也颇为复杂。其二，尽管提到了产生旋涡的发生体，其序言中提到过它的频率正比于平均流速，但其后的处理中，不管结构如何变化，都未提及如何处理和利用这一频率，在其质量流量计算（公式（3），引自对比文件US4372169）中也丝毫不涉及这一频率f。可以断定，对比文件所提及的种种技术方案仅仅着眼于如何利用发生体和节流部分之间的旋涡来产生足够稳定的差压，以此来按公式（3）求得质量流量，而根本未用到发生体的频率特性，事实上不属于涡街流量计。因此，对比文件所述的流量计都不是涡街流量计，都不具备涡街流量计的特征和优良品质。

发明人在CN86101855中详细介绍过涡街流量计的作用原理和计测公式，指出涡街流量计没有运动部件，输出频率对介质温度、压力及粘度不敏感，不易受介质干扰、精度高、量程宽，并具有稳定、可靠等优良品质，提供了一种获得更宽温变范围的涡街流量计及其制作工 艺。但CN86101855所述的涡街流量计仍属体积流量计量仪表。

本发明的目的旨在用改进了的涡街流量计来实现质量流量的计测。目的在于既保留涡街流量计的优良品质，又能获得质量流量。本发明的总方案是既利用旋涡发生体剥离（Shedding）的频率信号，又利用发生体产生与密度和流速有关的差压信号。其技术要点在于：流体流经旋涡发生体3时（参见图3）除产生交替旋涡外，还因受其阻力而产生正比于流体密度ρ和平均流速平方U²之积ρU²的压力损失，即差压△P。通过在旋涡发生体3上、下游作取压孔（6、2）可取得这一差压△P，综合计算旋涡率f和差压△P即可获得流体的质量流量Qm。

图3给出了差压型涡街质量流量计的示意图。其中1为表体管道，D为其流通直径;3为旋涡发生体，插入于流场中，平均流速为U;4、5分别为密封垫圈和压板;2为下游取压孔，6为上游取压孔;7为表体安装法兰，8为流管，9为发生体座，10为安装螺钉。

作为涡街流量计有下列关系：

U＝ (md)/(St) f （4）

式中：U-流经管道的平均流速;

m-旋涡发生体两侧流通面积与被测流管截面积之比;

d-旋涡发生体的特征宽度;

St-斯特劳哈尔系数;

f-旋涡频率。

旋涡发生体作为阻力体，前后产生一差压△P，此差压由取压孔（2、6）测得，差压与平均流速U和密度之间存在关系：

△P＝ 1/2 C_DρU²（5）

式中：C_D为阻力系数。为综合考虑关系（4）、（5），将公式（5）稍作变换如下：

ρU= (2ΔP)/(C_DU) （6）

再将（4）代入（6）之右边的U中，即得：

ρU= (2S_t)/(C_Dmd) (ΔP)/(f) （7）

两边乘以管道截面A，即得公式（1）所述的质量流量Qm

Qm=ρUA= (2st)/(C_Dmd) (ΔP)/(f) = (nD²st)/(2C_Dmd) (ΔP)/(f) （8）

式中：D为管道流通直径。

若设

K_m= (πD²St)/(2C_Dmd) （9）

则可得

Qm＝Km (△P)/(f) （10）

Km可定义为差压型涡街质量流量计的质量流量系数。

阻力系数C_D是雷诺数Re的函数，在仪表有效量程范围内，C_D与Re有确定的关系，并且几乎随Re线性变化。发明人做了大量实验，得到不同旋涡发生体和不同取压孔位置的阻力系数C_D。当旋涡发生体的特征宽度d与管道的内径D之比d/D＝0.25～0.30时，园柱、六角柱、矩形柱、方形柱、三角柱、梯形柱等旋涡发生体的阻力系数C_D约在0.6～2.5之间，如图4所示。图中可以看出C_D几乎是平行于Re轴的，即C_D几乎是常数。由此可见Km几乎是常数。因此本发明所述的差压型涡街质量流量计的技术特征可以进一步归纳为一个线性关系式（10），即质量流量Qm是差压△P除以旋涡频率这一商（ (△P)/(f) ）的线性函数，正比于这一商，其比例系数即为质量流量系数Km。

公式（9）表示了Km与C_D之间的关系，因此Km是一个与旋涡发生体形状、尺寸、取压孔位置以及被测介质雷诺数Re都有关的物理量，在一 线性变化。

假如C_D取常数，则Km由公式（9）算得也为常数，公式（10）中的f取自涡街流量传感器，差压△P由取压孔（2、6）经差压变送器获得，质量流量Qm即可算出。精确计算时，C_D可由实验得，实验中C_D与U或f的关系为线性关系：

C_D＝a_i+b_iU （11）

或

C_D＝α_i+β_if （12）

式中系数a_i、b_i、α_i、β_i可用线性回归法确定。将（11）或（12）代入（9），即可按公式（10）计算质量流量。此处b_i、β_i均很小，可视为一补偿系数。实际制造过程中，如果注意到Km基本上是一常数，△P与U²成正比，而U又与f成正比，因此公式（10）中Qm基本上与f或U成正比，或近似一个线性函数。在标定中完全可以直接确定Km的变化规律，通过线性回归法确定得：

Km＝a+bU    （13）

或Km＝α+βf    （14）

此处a、b或α、β是由线性回归法确定的线性系数，b和β很小可视为补偿量。将（13）或（14）代入公式（10）即可获得质量流量Qm。

以上即本发明所述的差压型涡街质量流量计的原理、计测方法及确定该仪表系数的工艺过程。在具体实施时，随着不同的应用场合可以有不同的实现方法。当现场自身带有计算机（譬如有一现场微机控制系统）时，本仪表可以不带微机处理器，差压由取压孔（2、6）经一差压变送器G转换为4～20mA或0-10mA的标准模拟信号，送入现场计算机;来自涡街流量传感器的频率信号f，可以作为脉冲量输入现场计 算机，如图6所示。也可经由一个频率-电流转换器H转换为4～20mA或0-10mA的标准模拟信号再输入现场计算机，如图5所示。在现场计算机中装进质量流量系数Km或其线性系数a、b或α、β，按公式（10）编一简单程序装入现场计算机，即可由此计算机算出质量流量。也可以将微处理器附在变送器中或附在这一流量计上，将Km有关的系数及公式（10）装入该微机，使差压信号△P及频率信号f输入该内藏式微机并按公式（10）计算出质量流量，构成智能式差压型涡街质量流量计。

实验证明取压孔的位置十分重要，既要保证不影响卡曼涡街的稳定形成，又要保证取得的差压△P比较稳定。设上游取压孔6和下游取压孔2的内径为d2，旋涡发生体3横截的外接圆的直径为d3，该外接圆的轴心为OO′，上游取压孔轴线至OO′的距离为L1，下游取压孔轴线至OO′的距离为L2。一般说来上、下游取压孔的轴线应位于旋涡发生体轴向对称平面的延伸平面内，并且一般满足：

L₁≥ (d₂+d₃)/2 （15）

L₂≥ (d₂+d₃)/2 （16）

大量实验证明，L1的最佳值在1～1.5个D之间，L2的最佳值在1～2个D之间。D为流管直径，取压孔的内径约在1.5～3mm之间。

本发明同样适用于具有二个或二个以上旋涡发生体的涡街质量流量计。此时，上取压孔可取在顺流向第一个旋涡发生体之前，下取压孔则可取在最后一个旋涡发生体之后，不管这些发生体是否具有相同的尺寸或形状，此时取压孔的最佳位置的范围仍为：

1D≤L1≤1.5D    （17）

1D≤L2≤2D    （18）

双发生体差压型涡街质量流量计的取压孔位置示意图如图7所示。而旋 涡频率检测敏感元件11既可放在旋涡发生体内，也可放在两旋涡发生体之间或下游某特定位置上。

图8表示出旋涡发生体上、下游压力分布情况。为了取得较大的差压信号△P，除了选择阻力系数C_D大的旋涡发生体外，也可在取压孔的位置上采取措施。从图8可见，随L1、L2的减小，差压△P会随之增大，在旋涡发生体表面处出达到最大值。由此启发，不妨将取压孔作在旋涡发生体内部，开口于表面，此时L1+L2＝d3，可视为特殊取压孔。图9表示取得最大差压△P的具体方案。图中（9a）为单旋涡发生体的特殊取压孔方案，（9b）为双旋涡发生体的特殊取压孔方案，图中两者都省去了旋涡发生体的内部元件。图中61、62为上游表面两个相通的小孔并与上游取压孔6相通，两孔间距离为（0.4～0.6）D，与下游取压孔2相通的小孔21开在下游表面的中心。

总上所述，本发明所述的原理和方法，以及由此构成的产品差压型涡街质量流量计，克服了现有技术中温压型、密度型等质量流量计的缺点和不足，既能准确测定质量流量，又保持了涡街流量计的特征和优良品质。与现有技术相比，本发明的技术进步和特点在于：

1.可在较宽范围内测量气体、液体及蒸汽的质量流量。

2.测量结果仅与被测介质的体积流量和密度（对饱和蒸汽还包括干度）有关，而不受介质成分变化的影响。传统的温压型质量流量计却不能反映成分变化，在天燃气、煤气等成分变化大的介质中传统的温压型质量流量计误差较大。

3.测量结果不受被测介质压缩系数的影响，压缩系数与温度、压力成非线性关系，这也是传统温压型质量流量计测不准的原因之一。

4.保持了涡街流量计的所有特征和优点，无可动部件，可靠性好， 结构简单造价低，安装、维修方便。

5.与传统温压型质量流量计相比，节省一台温度变送器，便于构成一体化仪表。

6.旋涡发生体构形多样灵活，可根据不同介质和不同差压范围选用不同形状的旋涡发生体，适应性强。

本发明所述方法、原理显然普遍适用于具有一个或多个旋涡发生体的涡街流量计的改进，不论它们是采用何种传感元件来计测旋涡频率f，只要在合适位置作孔取得差压△P，综合△P及f获得质量流量，就属于本发明权利要求保护的技术范围。任何一种涡街流量计按本发明提示作取压孔，均可作为本发明的实施例。

图1为温压型质量流量计示意图;

图2为密度型质量计示意图;

图3为差压型涡街质量流量计示意图;

图4为不同柱形旋涡发生体的阻力系数示意图，取压孔位置相同，d/D＝0.25～0.30;

图5为差压型涡街质量流量计的实施方案示意图。

图中H为频率/电流转换器。

图6为频率直送计算机的差压型涡街质量流量计示意图，不经过H-频率/电流转换器。

图7为双旋涡发生体结构的差压型涡街质量流量计示意图。

图8为旋涡发生体上、下游压力分布示意图。

图9为单、双旋涡发生体的特殊取压孔位置的示意图。

Claims (3)

1、差压型涡街质量流量计，用于测量流体质量流量，尤其适用于测量温度、压力、成分变化较大的气体或蒸汽的质量流量，具有至少一个插入于流场并垂直于流轴的旋涡发生体3，位于旋涡发生体3上、下游的取压孔(6、2)，其特征在于：上游取压孔6的轴心至旋涡发生体3截面外接园中心轴之距离大于或等于流管直径D，小于或等于1.5倍D；下游取压孔2的轴心至旋涡发生体3横截面外接园中心轴之距离大于或等于D，小于或等于2D。

2、按权利要求1所述的差压型涡街质量流量计，其特征在于：有一差压变送器将取自取压孔（6、2）的差压转换为4～20mA或0～10mA的标准信号，与取自发生体3内频率感测器11的信号一起送入现场计算机算得质量流量。

3、按权利要求1所述的差压型涡街质量流量计，其特征在于：具有一内藏式微处理器，可综合计算△P及f而获得质量流量Q，构成智能式差压型涡街质量流量计。

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