蒸汽流量計量中關於智能渦（wō）街蒸（zhēng）汽流量計的特性分析研究

智能渦街蒸汽（qì）流量計是根據卡門渦（wō）街原理研究生（shēng）產的，主要用於工業（yè）管道介質流體（tǐ）的流（liú）量測量，如氣體、液體、蒸汽等多種介質。其特點是壓力損失小，量程範圍（wéi）大，精（jīng）度高，在測量工況體積流量時幾乎不受流體密度、壓力、溫度、粘（zhān）度等參（cān）數的影（yǐng）響。無可動機械零件，因此可靠性高，維護量小（xiǎo）。儀表參數能長期穩（wěn）定。渦街流（liú）量計采（cǎi）用壓電應力式傳感（gǎn）器,可靠性高（gāo），可在-20℃～+250℃的工（gōng）作溫（wēn）度範圍內工作。有模擬標準信號（hào），也有數字脈衝信號輸（shū）出（chū），容（róng）易與計算機等數字係（xì）統配套使用，是一種比較先進、理（lǐ）想的測量儀器（qì）。
到了二十世紀（jì）80年代，因為工業生產的推動，智能渦街蒸汽流量計得以廣泛采用，但缺點是（shì）對於蒸汽介質上的測試仍是空白，隻可進行智能渦街蒸汽流量計的構（gòu）造方（fāng）式、DSP、流量量程、管道材質等方麵加以升級，增強了智能渦街蒸汽流量計的在液體與空氣中的測量準度。由於在（zài）蒸汽介質方麵的探索上存在盲區，在流量精度測量上長期（qī）以來備受業內人士的質疑。智能渦街蒸汽流量計雖然技（jì）術上有了改進，但有待進一步改良，不管是在理論還是應用（yòng）層麵上均有諸（zhū）多工作（zuò）要做。近些（xiē）年，**範圍內的（de）業（yè）內人士對於智能渦（wō）街蒸汽流量計實施（shī）了多次探索，研究成（chéng）果值得肯定。
蒸汽流量量值體係的溯源是保證蒸汽流量測量準確的關鍵。本文基於流體力學、熱力學（xué）以及智能渦（wō）街蒸汽（qì）流（liú）量計（jì）旋渦（wō）的產生（shēng）機理，分析（xī）不同介質（zhì）對智能渦街蒸汽流量計的計量（liàng）特性的影響，介質粘度的不同導致了三種（zhǒng）介質測試下雷諾數的不同，影響到（dào）斯特勞哈數差異。但對智能渦街蒸汽流（liú）量計的儀表係數影響不大，可忽略（luè）其影響。介質粘度的不同會導致（zhì）流量範圍的不同。該分析將有利於提高智（zhì）能渦街蒸汽流量計測量蒸汽流量的計量準確（què）度。
1 蒸汽介質（zhì）的影（yǐng）響（xiǎng）因素
所謂智（zhì）能渦街（jiē）蒸汽流量計(亦稱旋渦流量計)，其工作機理是“卡門渦街”，是一類流體振蕩式（shì）的測量儀器。“卡門渦街”的原理是：待測管道流體中放進一根(或數根)非流線（xiàn）型截麵的旋渦發生體，等到雷諾數到達特定數（shù）值，在旋渦發生體兩（liǎng）側分離出兩串交錯有序的旋渦，此過程具有交替性，我們（men）將這種旋渦叫（jiào）作卡門渦街。在特定雷諾數範圍（wéi）之間，旋渦的分離頻率同旋渦發生體與（yǔ）管道的幾何（hé）尺寸息息相關。數據表明，旋（xuán）渦的分離（lí）頻率同流量存（cún）在正相關性，此頻率可通（tōng）過傳感器獲得。以上（shàng）智能渦街蒸汽流量計與卡門（mén）渦街的關係可從圖1看出，二者有如下（xià）邏輯關係：

式中：
f 為旋渦分離頻率，Hz ；
S r 為斯特勞哈爾數；
U 1 為旋（xuán）渦發生體兩側（cè）的平均流速，m/s ；
d 為旋渦發生體迎流麵的寬度，m；
U 為被測介質來流的平均流速，m/s ；
m 為旋渦發生體兩側弓形麵積與管道橫截麵麵積之比。不可壓縮流體中，由於流體密度 r 不變，由連續性方程可得（dé）到： m = U / U 1 。

式（shì）中（zhōng）：K 為智能渦街蒸汽流量計的儀表係（xì）數，1 /m 3 。通過式（3）不難看出，儀（yí）表係數 K 是智能（néng）渦街蒸汽流量計的計量特性的定量表征，數據表明，其儀表係數（shù）隻（zhī）和其機械結構與斯特勞哈爾（ěr）數有關，同來流（liú）流量並無相關性。
研究（jiū）發現，蒸汽對智能（néng）渦街蒸汽（qì）流量計計量（liàng）特性（xìng）存在較大影響。可總結為三個（gè）方麵：
*一（yī），從公式（3）中能夠得（dé）出，機械結構尺寸（cùn） D 、m 、 d 以及（jí）斯（sī）特勞哈爾數 S r 這些參數與K值大小存在較大關聯性。基於物理原（yuán）理研究發（fā）現，在流體介質條件存在差異情況下，機械結構（gòu）尺寸的改變一般是（shì）與（yǔ）溫度的改（gǎi）變引發的熱脹冷縮（suō）效應息息相（xiàng）關。
*二，雷諾數對（duì）斯特勞哈爾數 S r 產生較大影響（xiǎng），前者又與（yǔ）粘度密切相關，而粘度的差異性又取決於流體的差異，既而引發斯特勞哈爾數 S r 的區別。
*三，公式（3）的推導過程是以不可（kě）壓縮流體為前提的，當換作（zuò）氣（qì）體介（jiè）質時，由於可壓縮性的區別或許會引發儀表係數產生誤差。以上三個因素對於智能渦街蒸汽流量計的影響將在下一節進一步探討。
2 蒸（zhēng）汽（qì）介質斯特勞哈爾數的（de）影響
嚴格而言，斯特勞哈爾（ěr）數是一種相似準則，是在（zài）討（tǎo）論流體力學中物理相似和模化（huà）是引入的概念。其（qí）是用來表（biǎo）征旋渦頻率和阻流體特征尺寸（cùn）、流速關係的。在特（tè）定雷諾數區間中，旋渦的分離（lí）頻率和旋渦發（fā）生體與管道的幾何尺寸密切相關，換言之斯特勞（láo）哈數可視為定量。

由圖2可看出，在 R eD =2×10 4  7×10 6 區間內，斯特勞哈數是定值，此也是儀表的正（zhèng）常工作（zuò）區間。
現實情形下， S r 即便在 R eD =2×10 4  7×10 6 區間（jiān）內，也與 R eD 的改變發生變化，參照1989年日本製訂的智能渦（wō）街蒸汽流（liú）量計工業標準JISZ8766《智能渦街蒸汽流量計——流量測量方法》。2002年加（jiā）以修訂，把智能渦街蒸汽流（liú）量計發生體的固定形式歸為兩種，《標準》規定的旋渦設計（jì），發生體依（yī）據（jù）插入測（cè）量管頂端固定與否（fǒu）區別為標準1型與標準2型，它們的 S r 值存在較小區別，詳見表1數據（jù）。

標準2型 S r 的平均值是0.25033，它的標準偏差是0.12%；而（ér）標準1型為（wéi）0.3%，現階段我國一般廣泛采用標準1型。而標準2型在日本（běn）橫河儀（yí）表研（yán）製的智能渦街蒸汽流量計（jì）普遍采用。
通過雷諾數的推導公式不難得出，檢測時，蒸汽（qì）和空氣因（yīn）為粘度的區別，會引發雷諾數存在差異。參照一般實驗情況下三類流體介質的工況差異，它們的運動粘度詳見表2：

式（shì）中：
表征介質密度；
D 表征管徑（jìng）；
u 表征流速；
表征介質動力粘度；
v 表征介質運動粘度。

通過以上各參數數據不難發現，水的運動粘度*低，空（kōng）氣*高，蒸汽介於二者之間。三者比例是1：15：4。所以若使雷諾數一致，應使水（shuǐ）的（de）流速*小，空氣*大，蒸汽在區間取值（zhí）。在對儀表的係數進行檢定過（guò）程中，通常應考慮雷諾（nuò）數一（yī）致時，真實測量過程中的差異性誤差。尤其在蒸汽的（de）測量時，儀表量程的選型是參（cān）照在空（kōng）氣介質下測量獲得的體積流量（liàng）區間與蒸汽的密度乘積，推導（dǎo）出（chū）蒸汽的體積流（liú）量區間。這（zhè）種算法會引發差（chà）異性介質下雷諾數的區間差異。細致分析上表可得出，隻要雷諾數在既定範圍內，檢定過（guò）程中並不會由於介質的不同造成較大的誤差（chà），這個影響可不考慮。但雷諾數不可超出規定區間（jiān），否則會引發 S r 的較大差異，造成誤差（chà）。
 
通過表3不難發現，要得出智能渦街蒸汽流量計基於（yú）*低流量的限雷諾（nuò）數，口徑一致情況下三類介質的*小流速應滿足1.0：4.0：15.0的大致比例。所以不可（kě）以將（jiāng）空氣介質下的體積流量區間等同於蒸汽介質下的數值。
3 蒸汽介質物理特性影響（xiǎng）分析
1873年，荷蘭**物理學家範德瓦（wǎ）爾斯特實驗室中（zhōng），發現了水（shuǐ）蒸氣的物理性質，得出氣體（tǐ）分子（zǐ）間有著（zhe）一定（dìng）作用力，繼而推導出氣體的狀態（tài）方（fāng）程（chéng）以輔助理論驗證，這就（jiù）是（shì）**的範德瓦爾斯特氣體狀態（tài）方程（chéng）。進一步（bù）研究（jiū）發現，水蒸汽的分子的（de）體積和相互的作用力比較（jiào）大，無法以理想的氣體狀態方程加以表征。參照範德瓦（wǎ）爾斯特公式（5）的計算（suàn）過程：

式中：
p 為壓強；
V 為1摩爾氣體的體積；
R 為普適氣體常數；
a 為度量分（fèn）子間引力的參數（shù）；
b 為1摩爾（ěr）分（fèn）子本身包含的體積之和。
以上公式（5）中因子 a 和 b 的值因氣體的性質不同而存在差異，一般（bān）地，氣體的分子間引力參（cān）數 a 與 b 分子體積 表述如表3所示。

範德瓦爾斯特提出，氣體分子間的吸引力與間距存在負相關性，也就是密度的概念。把此理論使用在智能渦街蒸汽流量計的測量過程中，通過表中的（de）數據不難發現，水蒸汽（qì）分子間的吸引力a的數值較大，相當於氧氣與（yǔ）氮氣（qì）的4倍多（duō）。所以，在（zài）測量實際氣體（tǐ）時，基於同等壓力條（tiáo）件（jiàn），水（shuǐ）的分子間的吸引（yǐn）力的數（shù）值較蒸汽與空氣大得（dé）多，而蒸汽又顯（xiǎn）著大於空氣。用智能渦街蒸汽流（liú）量計進行測量時，發生（shēng）體（tǐ）兩側的位置因（yīn）為流速加（jiā）大（dà），引起靜壓力減小，體積擴張，流體密度隨之減小，而水介質由於分子間作用力大，並無明顯（xiǎn）膨脹（zhàng）情況。蒸汽的分子間（jiān）的吸引力比空氣大，所以（yǐ）前者膨脹性更低，密度變（biàn）化也更小。參考流量的（de）連續性方程得出（chū），因為空氣密度變化更大，所以它的發生體兩（liǎng）側的流量變化較蒸汽介質更大，所以它的儀表（biǎo）係（xì）數比蒸（zhēng）汽介質變化更顯著。而氣體的可壓縮性與（yǔ）等嫡指數是其內在機（jī）理，這和我（wǒ）們的理論研究結果（guǒ）相互印證。

上一篇（piān）：渦街沼氣流量計在氣田生產中使用（yòng）情況與計量問題分析

下一篇：氫氣流量計選（xuǎn）型與安裝時（shí）需要注意的問題有哪些