渦街流量計(jì)的現(xiàn)場應(yīng)用

    在特定的流動條件下,，一部分流體動能會轉(zhuǎn)化為流體振動,，其振動頻率與流速（流量）有確定的比例關(guān)系，依據(jù)這種原理工作的流量計(jì)稱為流體振動流量計(jì),。目前流體振動流量計(jì)有三類：渦街流量計(jì),、旋進(jìn)（旋渦進(jìn)動）流量計(jì)和射流流量計(jì)。渦街流量計(jì)具有以下一些特點(diǎn)：
①輸出為脈沖頻率,，其頻率與被測流體的實(shí)際體積流量成正比,，不受流體組分、密度,、壓力,、溫度的影響；
②測量范圍寬,，一般范圍度可達(dá)10：1以上,；
③度為中上水平；
④無可動部件,，可靠性高,；
⑤結(jié)構(gòu)簡單牢固，安裝方便,，維護(hù)費(fèi)較低,；
⑥應(yīng)用范圍廣泛，可適用液體,、氣體和蒸汽,。　　
渦街流量計(jì)的工作原理
    在流體中設(shè)置旋渦發(fā)生體（阻流體）,，從旋渦發(fā)生體兩側(cè)交替地產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦,，這種旋渦稱為卡曼渦街（見圖1），旋渦列在旋渦發(fā)生體下游非對稱地排列,。根據(jù)卡曼渦街原理,，有如下關(guān)系式：

　　式中，m為旋渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積與管道橫截面面積之比,；D為表體通徑,；d為旋渦發(fā)生體迎面寬度；f為旋渦的發(fā)生頻率,；U1為旋渦發(fā)生體兩側(cè)平均流速,；Sr為斯特勞哈爾數(shù),；U為被測介質(zhì)流的平均速度,。

圖1  卡曼渦街

管道內(nèi)體積流量qv為：

式中， K為流量計(jì)的儀表系數(shù),，單位為脈沖數(shù)/m3,。

　　K除與旋渦發(fā)生體,、管道的幾何尺寸有關(guān)外，還與斯特勞哈爾數(shù)有關(guān),。斯特勞哈爾數(shù)為無量綱參數(shù),，它與旋渦發(fā)生體形狀及雷諾數(shù)有關(guān)，圖2為圓柱狀旋渦發(fā)生體的斯特勞哈爾數(shù)與管道雷諾數(shù)的關(guān)系圖,。由圖2可見,，在ReD=2×104～7×106的范圍內(nèi)，Sr可視為常數(shù),，這是儀表正常工作范圍,。當(dāng)測量氣體流量時，渦街流量計(jì)的流量計(jì)算式為：

　　式中,，qVn,、qV分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（0℃或20℃，101.325kPa）和工況下的體積流量,； Pn,、P分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下和工況下的壓力；Tn,、T分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下和工況下的熱力學(xué)溫度,；Zn、Z分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下和工況下氣體壓縮系數(shù),。

圖2  斯特勞哈爾數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系曲線

　　由式（4）可見,，渦街流量計(jì)輸出的脈沖頻率信號不受流體物性和組分變化的影響，即儀表系數(shù)在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)僅與旋渦發(fā)生體及管道的形狀尺寸等有關(guān),。但是在物料平衡及能源計(jì)量中需檢測質(zhì)量流量,，這時流量計(jì)應(yīng)同時監(jiān)測體積流量和流體密度，流體物性和組分就會對流量計(jì)量產(chǎn)生直接影響,。

　　渦街流量計(jì)由傳感器和轉(zhuǎn)換器兩部分組成,，如圖3所示。傳感器包括旋渦發(fā)生體（阻流體）,、檢測元件,、儀表表體等；轉(zhuǎn)換器包括前置放大器,、濾波整形電路,、DAC、輸出接口電路,、端子,、支架和防護(hù)罩等。近年來智能式流量計(jì)還把微處理器、顯示通信及其他功能模塊裝在轉(zhuǎn)換器內(nèi),。

圖3  渦街流量計(jì)

在現(xiàn)場中的應(yīng)用

1 現(xiàn)場應(yīng)用

　　渦街流量計(jì)適用的流體比較廣泛,，但不適用于低雷諾數(shù)（ReD≤2×104）流體。因?yàn)樵诘屠字Z數(shù)時,，斯特勞哈爾數(shù)隨著雷諾數(shù)而變,，儀表線性度變差。同時,，含固體微粒的流體對旋渦發(fā)生體的沖刷會產(chǎn)生噪聲,，其含有的短纖維若纏繞在旋渦發(fā)生體上將改變儀表系數(shù)。

渦街流量計(jì)在混相流體中的應(yīng)用如下：

　?、倏捎糜诤稚?、均勻的微小氣泡，但容積含氣率應(yīng)小于7%～10%的氣,、液兩相流,，若容積含氣率超出2%就應(yīng)對儀表系數(shù)進(jìn)行修正。

　?、诳捎糜诤稚?、均勻的固體微粒，含量不大于2%的氣固,、液固兩相流,。

　　③可用于互不溶解的液液（如油和水）兩組分流等,。

　　脈動流和旋轉(zhuǎn)流會對渦街流量計(jì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響,。如果脈動頻率與渦街頻率頻帶合拍可能引起諧振，破壞正常工作和設(shè)備,，使渦街信號產(chǎn)生“鎖定（Lock-in）”現(xiàn)象,，這時信號會固定于某一頻率。“鎖定”與脈動幅值,、旋渦發(fā)生體形狀及堵塞比等有關(guān),。

　　渦街流量計(jì)的度對于液體大致在±0.5%R～±2%R之間，對于氣體在±l%R～±2%R之間,，重復(fù)性一般為  0.2%～0.5%,。由于渦街流量計(jì)的儀表系數(shù)較低，頻率分辨率低,，口徑愈大精度愈低,，故儀表口徑不宜過大（DN300以下）。

　　范圍度寬是渦街流量計(jì)的特點(diǎn),，但重要的一點(diǎn)是量程下限的流量數(shù)值,。一般液體平均流速下限為0.5m/s,，氣體為4～5m／s。渦街流量計(jì)的正常流量在正常測量范圍的1/2～2/3處,。

　　渦街流量計(jì)的zui大優(yōu)點(diǎn)是儀表系數(shù)不受測量介質(zhì)物性的影響，可以由一種典型介質(zhì)推廣到其他介質(zhì)上,。但由于液,、氣的流速范圍差別很大，導(dǎo)致頻率范圍亦差別很大,。處理渦街信號的放大器電路中,，濾波器的通帶不同，電路參數(shù)亦不同,，因此,，同一電路參數(shù)不能用于測量不同介質(zhì)。

　　另外,，氣體和液體的密度差別很大,，而旋渦分離時產(chǎn)生的信號強(qiáng)度與密度成正比，因此信號強(qiáng)度差別亦很大,。液,、氣放大器電路的增益、觸發(fā)靈敏度等皆不相同,，壓電電荷差別大,，電荷放大器的參數(shù)也不相同。即使同為氣體（或液體,、蒸汽）,，隨著介質(zhì)壓力、溫度,、密度不同,，使用的流量范圍不同，信號強(qiáng)度亦不同,，電路參數(shù)同樣要改變,。因此，一臺渦街流量計(jì)不經(jīng)硬件或軟件修改,，改變使用介質(zhì)或改變儀表口徑是不可行的,。

2 安裝注意事項(xiàng)

　　渦街流量計(jì)屬于對管道流速分布畸變、旋轉(zhuǎn)流和流動脈動等敏感的流量計(jì),，因此,，對現(xiàn)場管道安裝條件應(yīng)充分重視，嚴(yán)格遵照使用說明書執(zhí)行,。

　　渦街流量計(jì)可安裝在室內(nèi)或室外,。如果安裝在地井里,，為防止被水淹沒，應(yīng)選用涎水型傳感器,。傳感器在管道上可以水平,、垂直或傾斜安裝，但測量液體和氣體時為防止氣泡和液滴的干擾,，要注意安裝位置（見圖4）,。

圖4  測量含液體和含氣液體的流量儀表安裝

渦街流量計(jì)必須保證上、下游直管段有必要的長度（見圖5）,。

圖5  渦街流量計(jì)對上,、下游直管段長度的要求

　　在圖5中，a為一個90°彎頭,，b 為同心擴(kuò)管,，c為同心收縮全開閥門，d為不同平面兩個90°彎頭,，e為調(diào)節(jié)閥半開閥門,，f為同一平面兩個90°彎頭。

傳感器與管道的連接如圖6所示,，在與管道連接時要注意以下問題,。

圖6  傳感器與管道的連接

　　① 上,、下游配管內(nèi)徑D與傳感器內(nèi)徑D’相同,，其差異滿足下述條件：    0.95D≤D’≤1.1D；

　?、?配管應(yīng)與傳感器同心,，同軸度應(yīng)小于0.05D’；

　?、?密封墊不能凸入管道內(nèi),，其內(nèi)徑可比傳感器內(nèi)徑大1～2mm；

　?、?如需斷流檢查與清洗傳感器,，應(yīng)設(shè)置旁通管道（見圖7）；

圖7  旁通管道示意圖

　?、?減小振動對渦街流量計(jì)的影響應(yīng)該作為渦街流量計(jì)現(xiàn)場安裝的一個突出問題來關(guān)注,。首先，在選擇傳感器安裝場所時盡量注意避開振動源,；其次,，采用彈性軟管連接在小口徑中可以考慮；第三,，加裝管道支撐物是有效的減振方法,。

　　電氣安裝應(yīng)注意傳感器與轉(zhuǎn)換器之間采用屏蔽電纜或低噪聲電纜連接,，其距離不應(yīng)超過使用說明書的規(guī)定。布線時應(yīng)遠(yuǎn)離強(qiáng)功率電源線,，盡量用單獨(dú)金屬套管保護(hù),。應(yīng)遵循“一點(diǎn)接地”原則，接地電阻應(yīng)小于10Ω,。整體型和分離型都應(yīng)在傳感器側(cè)接地,，轉(zhuǎn)換器外殼接地點(diǎn)應(yīng)與傳感器“同地”。

3 現(xiàn)場常見故障現(xiàn)象,、原因及排除方法

渦街流量計(jì)有多種檢測方式，傳感器和測量電路差別也較大,，但渦街流量計(jì)常見的故障有共性,。
結(jié)語

　　在眾多的流量計(jì)中，渦街流量計(jì)的購置費(fèi)低于質(zhì)量式,、電磁式,、容積式等類型，而安裝,、運(yùn)行,、維護(hù)費(fèi)低于節(jié)流式、容積式,、渦輪式等類型,，是一種經(jīng)濟(jì)性較好、比較實(shí)用的流量計(jì),。渦街流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡單牢固,，安裝維護(hù)方便，尤其適用于冶煉廠,、化工廠,、輸油管道等工業(yè)現(xiàn)場的使用。

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