大庆油田第一采油厂第四油矿地质工艺队
引言
在工业生产过程中，为了有效地指导生产操作、监视和控制生产过程，经常需要检测生产过程中各种流动介质（如液体、气体或蒸汽）的流量，以便为管理和控制生产提供依据。同时，工业生产的各环节之间经常有物料的输送，需要对它们进行精确的计量，作为经济核算的重要依据。所以，流量监测在现代化工业生产过程中显得十分重要。
1概述
涡街流量计是用于气体、液体等流体介质的测量的常用仪器之一，其应用已经从最初的水蒸气、水的测量扩展到生物学、医学、卫生、化学化工等领域。随着各种相关技术等不断提高，涡街流量计向着高、精、尖方向发展。涡街流量计应用最多的领域是石油化工企业，由于其传感部件可以不直接接触被测介质，可以用于测量各类液体、气体流量，一般其不锈钢旋涡发生体和封装于不锈钢体的传感器，能够耐受高温高压，可用于液体、气体、蒸汽测量。现在也有推出管径小于25mm以下的采用模压成型工艺的全塑料产品涡街流量传感器，配置非接触的超声波检测元件，可用于腐蚀性液体和高纯净液体的流量测量。在石油化工、制药、食品和半导体工业中，涡街流量计有着广泛的应用，可以准确测量的介质包括甲醇、甲醛、丙酮、甲苯、三氯乙烯、乙烯、丁烷液氨、空分装置中液氧、液氮流量等，还有半导体工业纯水、超净纯水等。根据卡门(Karman)涡街原理研制的涡街流量计主要用于工业管道介质流体如气体、液体等的流量测量。涡街流量计的特点是量程范围大、压力损失小，在体积流量测量时几乎不受流体密度、温度、压力、粘度等因素的影响，精度高，维护量小，可靠性高，工作温度范围较宽(－20～250℃)。信号输出方式有数字脉冲信号输出，也有模拟标准信号，易于智能化、自动化控制，是大中型企业比较先进、理想的介质流量测量仪器。
2涡街流量计的技术改进研究
2.1传感器改进
涡街流量计的重要组成部分是传感器，其灵敏度和精度都与传感器直接相关，因此，传感器的改进是涡街流量计改进的重点研究课题之一。蔡武昌指出流量检测仪表的关键问题之一是传感器的设计，其预测流量计技术改进的一个重要方面是传感器结构设计中应该将温度、压力、管径等参数集合到流量传感器内。涡街流量计的缺点是抗干扰性能差，震动、强电磁场、高温环境因素等对涡街流量计的测定有很大影响，因此设计高抗干扰的流量计是涡街流量计研究者的追求。潘岚等针对这一点设计了悬浮式差动传感器，其设计原理为，悬浮式差动传感器B位于漩涡发生体的后面，悬浮式差动传感器每个检测元件使用4个压电晶体，平板两侧分别对称固定了两个检测单元，以形成差动结构。两压电陶瓷片之间由一金属质量块固定成一个刚体，同时金属质量块作为压电陶瓷的输出电极，输出检测信号给电荷放大电路，并联的两片压电晶体使输出的涡街流量信号增大，使涡街流量计输出信号的信噪比得到很大提高。通过研究发现，当涡街传感器中漩涡发生体和压电探头处于分离状态时压电探头的位置对涡街信号的检测具有比较大的影响。因此，作者研究了压电探头位置与涡街信号幅值、频率之间的联系，不同旋涡发生体，最强涡街信号出现的位置也不同。通过在DN100和DN50的水、气介质流量标准装置上研究发现，传感器中压电探头的最佳位置应处于发生体尾部且等于发生体宽度处，此距离与发生体宽度呈线性正比关系，不随被测介质不同而改变。这项研究对于涡街流量计传感器的改进具有实用性和推广性。压电晶体涡街传感器中采用的是压电材料受力后产生的电压信号作为测试信号，但是，压电晶体传感器信号转换的优劣依赖于电压或电荷放大器性能的影响。利用与压电晶体传感器同样具有小功率、高内阻且电荷量输出相似特性的硅光电池作为测试电荷放大器性能的信号发生器，硅光电池性能稳定、耐高温、耐辐射、转换效率高和频率相应好等优点，从而保证了测试电荷放大器频率响应特性的准确性。实验发现，采用硅光电池信号发生器测得的电荷放大器下限截止频率(－3dB点)fL2为10.5Hz，这与理论仿真值(10.61Hz)十分接近，而采用压电信号发生器时测得的fL2为12Hz，这对压电式涡街流量计的研发有很好的实用性和指导意义。
2.2涡街信号的处理和转换电路等的改进
涡街流量计信号的频率范围一般为1～2500Hz，易受噪声的干扰，设计高精度的涡街信号处理系统，对涡街信号处理方式的改进是自动化和仪器仪表等学术界的热点之一。以TMS320F2812芯片为核心控制器，利用2812DSP的l2位16通道ADC模块对涡街流量计传感器信号进行采集，结合FFT周期谱图法对采集信号进行特征分析，提取到有用信号，适当地抑制确定性噪声。实验和仿真验证了设计系统抗干扰性能强，具有可行性和正确性。以TMS320LF2407ADSP微处理器为核心，通过前端多级放大及滤波，并采用高精度A/D转换芯片，设计了高精度涡街信号处理系统。仿真实验验证，该系统具有实时性强、精度高、性价比高等优点，有潜在的工业开发价值。利用窗函数法设计FIＲ和了IIＲ数字滤波器对涡街流量计的输出信号进行滤波处理，滤波后的波形平滑了很多，即将大部分的噪音信号去除，以提高测定流速的准确度。随着计算机技术和无线网络技术的发展，涡街流量计的技术改进呈现了新的发展趋势，如利用MODBUSＲTu协议实现涡街流量计与上位计算机自动数据采集和管理、基于firelessHAＲT的涡街流量计可以通过无线HAＲT网关和无线HAＲT网络管理器检验无线HAＲT涡街流量计的各项功能指标等。最近，上海恩德斯壕斯(Endress+Hauser)自动化设备有限公司推出了全新的Prowirl200涡街流量计，完美解决湿蒸汽报警和测量的问题，这些最新的研究表明，传统的涡街流量计通过新技术的应用将发挥其在流量计量方面的巨大优势。
结语
本文在介绍涡街流量计的工作原理和优点与局限性的基础上，结合海洋生产平台实际工况进行了选型并提出了具体防振措施。最后，介绍了一种压损与能耗的计算方法，并通过与孔板流量计的对比，证明涡街流量计是一款相对节能的流量计。希望本文能对今后涡街流量计在海洋平台中的选型和应用提供借鉴和参考。
参考文献
[1]蔡武昌,孙维清,纪纲.流量测量方法和仪表的选用[M].北京:化学工业出版社,2008:143-162.
[2]陆德民,张振机,黄步余.石油化工自动控制设计手册[M].北京:化学工业出版社,2000:96-100.
[3]乐嘉谦.仪表工手册[M].北京:化学工业出版社,2004:241-243.
[4]王笑然.浅析流量测量仪表--涡街流量计[J].应用能源技术,2006,12(108):11-13.
[5]兰向东.涡街流量计应用关键环节控制[J].炼油与化工,2006,(2):56-57.
[6]薛润林,张勇,刘玉霞.涡街流量计防振措施的探讨[J].化工自动化及仪表,2001,28(3):69-72.
[7]石书喜.阻力型流量计能耗分析计算[J].节能,2002,8(241):17-19.