DN300渦街流量計各參數的確定

渦街流量計在投入使用之前，需要根據其所測介質是液體或氣體選擇相應的標定系統標定，從而確定儀表系數、測量范圍、精度以及電路參數。針對DN300渦街流量計在液體介質中的使用，我們選擇了3臺送往開封國家水大流量計量站進行標定，確定了其儀表系數、測量范圍及電路參數。
                              1 工作原理
                             
                        渦街流量計是根據“卡門渦街”原理研制成的一種流體振蕩型流量儀表。在流動的液體中插入一個斷面為非流線型柱狀物體時，在柱體后部兩側會產生兩列交錯排列的旋渦，如圖1所示。旋渦分離的頻率與流速成正比，與柱體的寬度成反比，可以用公式（1）表示：
                              f=St×U/d……公式                （1）
                        式中：
                              f：  旋渦分離頻率
                              St：斯特勞哈爾數（無量綱常數）
                              U： 柱體側面的流速
                              d： 柱體的迎流面寬度
                              由公式（1）可見，通過測量旋渦的分離頻率便可測出流體流速，再由流速求出體積流量，進而得到公式（2）
                              f=Q×K……公式                   （2）
                        式中：
                              K：儀表系數m-3。
                              Q：體積流量（m3/h）
                              
                              
                        渦街流量計的電路將壓電晶體元件（傳感器）檢測到的旋渦分離頻率經放大、整形處理后。以頻率信號輸出，或進一步變換成與流量成比例的4～20mADC信號輸出，如圖2所示。

                              2 預期目標
                              本次是對DN300渦街流量計的標定，我們制定了以下目標。
                              （1）按量程比7：1、精度1.0級、重復性0.3%以下的指標標定合格；
                              （2）取得其在水標定時電路參數的設定值；
                              （3）在滿足量程比7：1、精度1.0級的條件下，通過對電路參數的調整，尋找其盡可能低的下限流量。
                              3 分析及調整
                              3.1 中小口徑渦街流量計水標定
                              數據如表1所示。
                        表1 中小口徑渦街流量計水標定數據 
                              DN/mm測量范圍/m3·h-1精度
                              505~501.0
                              8013~1301.0
                              10020~2001.0
                              15050~5001.0

                              3.2 電路參數的設定
                             
                        對于應力式渦街流量計，介質流過旋渦發生體產生的旋渦強度與升力ρU2（ρ為介質密度，U為流速）成比例關系。對同一種介質，測量的流量范圍的不同，信號強弱就不同，大口徑的渦街流量計產生的旋渦強度比小口徑的渦街流量計產生的旋渦強度大，因此大口徑的渦街流量計電荷放大器的放大率（K1）可調得比小口徑的渦街流量計電荷放大器的放大率小。渦街流量計*次標定時，其儀表系數和流量范圍都是未知的，流量范圍對應的頻率也是未知的。此時帶通濾波器通頻帶（K2、K3）應設得較寬，我們設定上下限頻率比為30：1左右。由于標定裝置的流場穩定，干擾少，因此電壓放大器的放大率（GB）以及施密特觸發器的觸發門限（SB）可按常規設置。
                             
                        結合表1估計DN300的渦街流量計的流量范圍可能在300～1800m3/h。選擇1000m3/h進行標定，得到系數K為0.0442。根據公式f=Q×K計算出估算的流量上下限對應的頻率上下限。
                             
                        在標定時應遵循一個原則：工作頻率范圍盡可能多地落到帶通濾波器設定的通頻帶內。因此根據計算得到的頻率上下限，重新設置濾波器通頻帶。由于濾波器通頻帶的設定是通過調整K2、K3每一位開關決定一個濾波電容是否并聯到電路中來實現的，而對于K2、K3的開關組合非常多，調整要逐步摸索，使濾波器截止頻率接近計算得到的上下限頻率。標定時當流量上升到某一個值時，渦街流量計的輸出頻率突然大幅度下降，這就是濾波器上限頻率太小造成的。此時調整K3，選擇較小的電容并聯值，提高上限截止頻率。受設備能力的限制，流量上限只能到1500m3/h，因此按300～1500m3/h流量范圍進行標定。在300～1500m3/h流量范圍內取5點標定[2]，得到表2所示的數據：
                        表2 DN300渦街流量計標定數據 
                              序號儀表系數/K結果
                              10.04460.04460.04450.04420.0442基本誤差：0.45%  
                              重復性：0.14%
                              20.04450.04420.04420.0440.044基本誤差：0.56%  
重復性：0.12%
                              30.04460.04450.04430.04410.0441基本誤差：0.56%  
                              重復性：0.12%

                             
                        從表2中可以看出，基本誤差和重復性都在要求的范圍之內，但量程比不到7：1。這時通過降低下限流量的方法來增大量程比，將流量范圍調整為220～1500m3/h。由于流量范圍的調整使輸出頻率大小及信號強弱發生改變，此時要對電路中帶通濾波器的通頻帶重新設置。對于*次標定的渦街流量計，這是需要反復進行的工作。在滿足所產生的旋渦強度的要求以及zui低雷諾數（20000）限制時，低的流量下限是追求的目標之一。而DN300渦街流量計到流量下限220m3/h時產生的頻率為3Hz左右，非常接近壓電晶體熱效應產生的頻率。因此在調低帶通濾波器下限截止頻率時，要盡可能將壓電晶體的固有頻率作為干擾信號予以切除。也就是說，濾波器下限截止頻率不能低于壓電晶體熱效應產生的頻率，這也是渦街流量計的流量下限不能做得太低的原因之一。
                              根據以上分析和調整，得到表3所示的數據：
                        表3 DN300渦街流量計標定數據（2）
                          序號儀表系數/K結果
                              10.04480.04470.04450.04410.0441基本誤差：0.79%  
                              重復性：0.14%
                              20.04470.04470.04440.04420.0439基本誤差：0.89%  
                              重復性：0.12%
                              30.04490.04480.04450.04430.0442基本誤差：0.78%  
                              重復性：0.12%

                              3.3 結果分析
                             
                        此次3臺DN300渦街流量計的水標定實現了預期目標，取得了國家水大流量計量站的檢定證書。通過對數據的分析可以看出兩點：
                             
                        （1）從儀表系數值的走勢來看，上限流量的值提高到1800m3/h，儀表基本誤差將接近1.0%，也能達到精度1.0級的要求；
                              （2）儀表的重復性遠遠低于國家計量標準要求的0.33%的標準，這對于儀表的應用非常有利。
                              4 結束語
                             
                        在實際應用中，由于渦街流量計所測介質因液體或氣體流速范圍及密度的不同，使得旋渦的分離頻率范圍及分離時產生的信號強度也會不同，電路參數會有較大差別。因此，同一電路參數是不能用于測量不同介質的，介質改變，電路參數也應隨之改變。