浅析涡街流量计测量蒸汽质量流量优势点：

涡街流量计是体积流量计，即流体雷诺数在一定范围内，其输出只与体积流量成正比。

涡街流量计的输出有频率信号和模拟信号两种，模拟输出是在频率输出的基础上经f/I转换得到的。这一转换大约要损失0.1％度。所以用来测量蒸汽流量时，用户更爱选用频率输出。

频率输出涡街流量计更受热力公司等用户欢迎的另外几个原因如下。

a. 频率输出涡街流量计价格略低（非智能型）。

b. 频率输出涡街流量计满量程修改更方便，只需对可编程流量演算器面板上的按键按规定的方法进行简单的操作就可实现。

c. 由频率输出涡街流量计输出的频率信号计算蒸汽质量流量，只需知道流体当前工况，而模拟输出涡街流量计的温压补偿只是对当前工况偏离设计工况而引起的误差进行补偿，因此，不仅需知道当前工况，还需知道设计工况。后一种工况数据常常因为时间推移或人事变迁导致资料遗失而引起误差，相比之下，频率输出涡街流量计却不会有此问题。详见本书第8章8.6节分析。

频率输出涡街流量计测量质量流量的表达式为

qm=3.6           (3.13)

式中 qm――质量流量，kg/h；

f――涡街流量计输出频率，P/s；

Kt――工作状态下的流量系数，P/L；

ρf――流体密度，kg/m3。

当被测流体为过热蒸汽时，可以

                ρf＝f(pf,tf)                            (3.14)

 查表求得工作状态下的流体密度。测量系统见图3.6。

图3.6用涡街流量计测量过热蒸汽质量流量的系统

当被测流体为饱和蒸汽时，可以

ρf=f(pf)                              (3.15)

或 ρf=f(tf)                                (3.16)

查表求得工作状态下的流体密度，其原理同前节所述。其测量系统见图3.7。

   图3.7用涡街流量计测量饱和蒸汽质量流量的系统

在式（3.13）中，ρf应是涡街流量计出口的流体密度，因此，pf的测压点应取在涡街流量计出口的规定管段上。

有些研究表明，临界饱和状态蒸汽经减压后会发生相变，即从饱和状态为过热状态，这是，将其仍作为饱和蒸汽从式（3.15）或式（3.16）的关系求取ρf，必将引入较大误差[2]。如果出现这种情况，应进行温度压力补偿。

3.1.4蒸汽密度求取方法比较

从上面的分析可知，工程上普遍使用的推导式蒸汽质量流量测量系统，关键是求取蒸汽密度几十年以来，人们为此作了大量研究工作。归纳起来主要是采用数学模拟法和查表法两类方法。

⑴用数学模型求取蒸汽密度   在工程设计和计算中，工程师们经常需要求取蒸汽密度数据，采用的传统方法是由蒸汽的状态数据查蒸汽密度表。但是未采用微处理器前，这种人工查表的方法还无法移植进仪表，而仍采用数学模型的方法。人们建立了多种的数学模型以满足不同的需要，下面例举使用广泛的几种。

①     一次函数法。这种方法的显著点是简单，适用于饱和蒸汽，其表达式为

ρ＝Ap+B                             (3.17)

式中  ρ――蒸汽密度，kg/m3；

p――流体压力，MPa；

A、  B――系数和常数。

式（3.17）不足之处是仅在较小的压力范围内变化适用，压力变化范围较大时，由于误差太大，就不适用了。因为对于饱和蒸汽来所，ρ＝f（p）是一条曲线，用一条直线拟合它，范围越大，当然误差越大。

 解决这个矛盾的方法是分段拟合，即在不同的压力段采用不同的系数和常数。表3.2所示为不同压力段对应的不同密度计算式。

                   表3.2  不同压力段的密度计算式

②     用指数函数拟合密度曲线。使用较多的是

ρf＝AP                                （3.18）

式（3.18）描述的是一条曲线，用它来拟合饱和蒸汽的ρ＝f（P）曲线能得到更高的度，但是在压力变化范围较大的情况下，仍有千分之几的误差。

③     状态方程法。状态方程法用于计算过热蒸汽密度，其中的有乌卡诺维奇状态方程：

                          （3.19）

式中      p――压力，Pa；

          v――比体积，m3/kg；

          R――气体常数，R＝461J/（kg.K）；

          T――温度，K；

          F1(T)=(b0+b1φ+…+b5φ5)×10-9；

　　　　　F2(T)=(c0+c1φ+…+c8φ8)×10-16；

　　　　　F3(T)=(d0+d1φ+…d8φ8)×10-23；

          b0＝-5.01140          c0=-29.133164              d0=+34.551360

          b1=+19.6657           c1=+129.65709              d1=+230.69622

          b2=-20.9137           c2=-181.85576              d2=-657.21885

          b3=+2.32488           c3=+0.704026               d3=+1036.1870

          b4=+2.67376           c4=+247.96718              d4=-997.45125

          b5=-1.62302           c5=-264.05235              d5=+555.88940

                                  c6=+117.60724               d6=-182.09871

                                  c7=-21.276671               d7=+30.554171

                                  c8=+0.5248023               d8=-1.99178134

                                  φ=103/T

⑵ 计算机查表法   上面所说的通过数学模型求取蒸汽密度的误差都是同人工查密度表方法相比较而言。现在智能化仪表将蒸汽密度表装入其内存中，在CPU的控制下，模仿人工查表的方法，采用计算机查表与线性内插相结合的技术，能得到与人工查表相同的度。

现在上通用的蒸汽密度表是根据“工业用1967年IFC计算出来的。1963年于纽约举行的第八届水蒸气性质会议上，成立了公式委员会（IFC）。若干年后，该委员会提出了*的“用业用1967年IFC公式”及“通用和科研用1968年IFC公式”。21年后在1984年于莫斯科举行的第十届蒸汽性质会议上，又废除了“通用和科研用1968年IFC公式”。因此，“工业用1967年IFC公式”仍是当前*的描述水蒸气热物性参数的公式。

 由于这个公式十分复杂，一般使用者很难直接使用它，IFC根据这个公式编制了蒸汽性质表格，供人们查阅。本书的附录D摘录了其中部分数据。

下面以典型智能流量演算器为例说明自动查表的实施方法。

在智能流量演算器的EPROM中写入3个蒸汽密度表，1号表是过热蒸汽密度表，另外两个是饱和蒸汽密度表（见附录D），采用的都是蒸汽密度表1967IFC公式计算出来的。其中。过热蒸汽密度表有蒸汽温度和蒸汽压力两个自变量。2号表是蒸汽压力为自变量。3号表是蒸汽温度为自变量，这样，测得蒸汽温度或测得蒸汽压力都能通过查表求得蒸汽密度。究竟是选查ρ=f(p)表格还是ρ=f(t)表格。则在填写组态菜单时由用户自己选定。

①              查表的优先权问题。过热蒸汽的密度表时就存在一个优先权的问题。若先从压力查起，就称压力优先；若先从温度查起，就称温度优先。

          而对于饱和蒸汽，若选压力优先;若选温度补偿，则为温度优先。

          上述三种情况优先关系，由用户在填写菜单时，如表3.3所列。

               表3.3  优先权表

②              蒸汽状态判别问题。典型流量演算器具有蒸汽状态判别功能。根据判别结果，查不同的密度表。以过热蒸汽为例，在图3.8所示的查表示意图中，从压力测定值ρO出发去查温度，如果温度测定值大于饱和温度t1，则判别蒸汽为“过热蒸汽”，查1号密度表，例如，t=t2，则ρ＝ρf2。如果温度测定值小于t1，则判别蒸汽状态为“过饱和蒸汽”，查2号密度表，ρ=ρf1，此时，温度信号与压力信号不平衡，所以，仪表自诊断显示“000800”代码，表示蒸汽状态已进入饱和区。

图3.8过热蒸汽密度查表示意    图3.9压力优先，求取饱和蒸汽密度图3.10温度优先，求取密度饱和蒸汽密度

③              饱和蒸汽密度求取方法。如果优先栏内填入2（压力优先），则手动设定温度置100℃，从压力测定值出发查出饱和温度。因为此时温度信号取手动设定值，所以判别蒸汽状态为“过饱和蒸汽”(如图3.9所示)，查2号表。

如果优先栏内填入1（温度优先），则手动设定压力一般置22Mpa(密度表中压力上限)，从温度测定值出发查饱和压力。因为此时压力信号取手动设定值，所以判别蒸汽状态为“过饱和蒸汽“（如图3.10所示），查3号表。

上面所谈的蒸汽密度求取方法，用户不一定都要搞清楚，其原因在于用户只须根据自己所用的流体参数选择合适的补偿方法，并在菜单中填入有关数据即可。但是对于饱和蒸汽究竟是采用压力补偿还是温度补偿倒是很重要的。

④              直接查表法。有的仪表制造商采用的是直接查表法，即仪表内存放的三张蒸汽密度表由编码开关其选用：采用压力补偿的饱和蒸汽，经编码开关选择直接查以压力为自变量的饱和蒸汽密度表；采用温度补偿的饱和蒸汽，经编码开关选择直接查以温度为自变量的饱和蒸汽密度表；对于过热蒸汽，经编码开关选择直接查以温度和压力为自变量的过热蒸汽密度表。编码开关设置完毕，长期使用。

3.1.5 温度压力测口位置的合理选择

实施流体温度、压力补偿时，应合理选择温度、压力测口的位置，因为蒸汽以一定流速流过流量测量仪表时，测压口选在不同的位置得到的测量值是不同的。测温口也有类似的情况。

 从流量计使用现场的实际情况来看，用于温压补偿的测温口、测压口位置虽然多种多样，但大多数是测压口在前，测温口居后。即测压口开在流量计上游的管道上，测温口开在流量计下游的管道上。

（1）       孔板流量计的测温测压口位置

①标准中的要求。标准GB/T2624－1993提出的质量流量与各自变量的关系，用三个公式表述，其中一个是前面所述的式（3.1），另外两个如下。

                qm=              (3.20)

                 ε2=                    (3.21)

式中ε2――节流件负端取压口平面上的流体可膨胀性系数；

ρ2――节流件负端取压口平面上的流体密度，kg/m3；

p2――节流件负端取压口平面上的流体压力，Pa.

假定流体为可压缩性流体，而且在  p1、p2差别不大的情况下，流体符合理想气体定律，这是将式（3.21）代入式（3.20），就可得到（3.1），因此，式（3.20）和式（3.1）是等价的。

关于流体的密度，GB/T2624－1993在4.4条中规定，上游或下游取压口平面处的密度可直接测量，亦可根据相应平面处静压、温度等性的资料计算出来。4.4.1条中进一步规定“流体的静压应在上游或下游取压口平面处测得”。

该标准中的关键数据如流出系数C和可膨胀性系数ε，都是根据大量实验数据经处理得到的，因此在采用这些实验结果进行节流装置的设计和有此设计的节流装置测量流量时，实际上是实验方法的“逆过程”。

至于将取压口开在节流装置前一定距离的管段上测得的压力比标准规定的方法测得的压力差多少，原则上可以按伯努利方程、连续性方程和热力学过程方程[3]计算出来，但具体计算时还有一些困难，而如果在现场实测，却是不困难的。

②测温问题。GB/T2624－1993中规定“流体温度在节流件下游测得”，“如温度计插孔或套管位于下游，它与节流件之间的距离应等于或大于5D”，“如温度计插孔或套管位于上游，它与节流件之间的距离应满足表2（直流段长度）的规定”，显然，节流件上游和下游均允许设置温度计插孔，只是不能对流体的流动状态带来较大的干扰。

笔者认为,如果流体为处于过热状态的气体或蒸汽，温度计插孔选在节流件下游。而若流体为处于饱和状态的蒸汽，而且又是根据测温结果去查密度表р=f(t)，进而进行密度补偿，为了能使查表得到的密度恰巧为ρ1、ρ2，温度计插孔从原理分析应选在正端取压口平面处[按式（3.1）计算qm]或负端取压口平面处[按式（3.20）计算qm]但这又因测温套管距节流件太近而对流动状态产生太大的干扰而变得不可行，因此，用来测量饱和蒸汽的差压式流量计，通过测量流体温度求取ρ1或ρ2，由于实施中的困难，具体执行时，与理想情况总是有差距,这必定要带来一定误差。

（2）涡街流量计测温测压口位置     涡街流量计是利用流体流过旋涡发生体时产生的稳定旋涡，通过测量其旋涡产生频率，得到体积流量。

实验指出，流过旋涡发生体的流体不论是液体、气体还是蒸汽，只要雷诺数ReD在2×104～7×106范围内，就能得到稳定的流量系数。

实验同时指出，涡街产生的频率，反映了涡街发生体处的流体平均流速，此流速于流通截面积的乘积即为体积流量。要将蒸汽的这种体积流量换算成质量流量，*的是测量出涡街发生体处的流体静压力。此处静压力由于流体流速较高，比涡街流量计上游管道内的流体压力低一些。若在此处准确地测量静压力，由于多种原因有一定困难，但在流量计下游一定距离的管道上，测量到能与发生体后面传感器处的静压相等或接近的静压，则是一个可行的方法。横河公司要求，这个合适的距离为3.5～7.5陪管道内径。E+H公司要求，这个合适的距离为从流量传感器下游法兰算起3.5倍管道内径。

若用上游压力代替下游压力会引入误差，其估算方法如下例所述。

例如有一台YF108型旋涡流量计，用来测量过热蒸汽流量，从流量二次表可读出

上游流体压力      p1＝0.9Mpa（表面值）

流体温度      tf＝250℃

 瞬时流量显示值      qm＝3.0t/h

从温度、压力数据查表得到流体密度为ρ1＝4.3060kg/m3（当地大气压以0.101325Mpa计），进一步计算得到此时体积流量为696.7m3/h，从横河公司说明书中数据可计算得到管道中流体流速约位48.8m/s，按说明书中提供仪表的压力损失公式计算可得

           Δp=1.1ρv2=0.0113Mpa

令流量计上游管道内的压力与仪表下游3.5D～7.5D处的压力相差即为仪表的压力损失，则下游压力为p1-Δp，据此查得下游流体密度ρ2=4.2554kg/m3，根据质量流量与流体密度的关系，可计算由于压力测点位置选择不当引入的误差为

  δqm=

从上面的分析可清楚地看出，流速越高，由此引入地误差越大。

扩展阅读：铭宇自控流量计