渦街流量計的現(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稱為流體振動流量計,。目前流體振動流量計有三類：渦街流量計,、旋進（旋渦進動）流量計和射流流量計。渦街流量計具有以下一些特點：
①輸出為脈沖頻率,，其頻率與被測流體的實際體積流量成正比,，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，維護費較低,；
⑥應(yīng)用范圍廣泛,，可適用液體、氣體和蒸汽,?！　?br />渦街流量計的工作原理
    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,，渦街流量計的流量計算式為：

　　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量中需檢測質(zhì)量流量，這時流量計應(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量產(chǎn)生直接影響。

　　渦街流量計由傳感器和轉(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,、支架和防護罩等,。近年來智能式流量計還把微處理器、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

在現(xiàn)場中的應(yīng)用

1 現(xiàn)場應(yīng)用

　　渦街流量計適用的流體比較廣泛,，但不適用于低雷諾數(shù)（ReD≤2×104）流體。因為在低雷諾數(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,。

　?、劭捎糜诨ゲ蝗芙獾囊阂海ㄈ缬秃退﹥山M分流等。

　　脈動流和旋轉(zhuǎn)流會對渦街流量計產(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的特點，但重要的一點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。渦街流量計的正常流量在正常測量范圍的1/2～2/3處,。

　　渦街流量計的zui大優(yōu)點是儀表系數(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)生的信號強度與密度成正比,，因此信號強度差別亦很大。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,，信號強度亦不同,，電路參數(shù)同樣要改變。因此,，一臺渦街流量計不經(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

　　渦街流量計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，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

　?、?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,；

　　② 配管應(yīng)與傳感器同心,，同軸度應(yīng)小于0.05D’,；

　　③ 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,；

　　④ 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

　　⑤ 減小振動對渦街流量計的影響應(yīng)該作為渦街流量計現(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)遠離強功率電源線,，盡量用單獨金屬套管保護,。應(yīng)遵循“一點接地”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，但渦街流量計常見的故障有共性,。
結(jié)語

　　在眾多的流量計中,，渦街流量計的購置費低于質(zhì)量式、電磁式,、容積式等類型,，而安裝、運行、維護費低于節(jié)流式,、容積式,、渦輪式等類型，是一種經(jīng)濟性較好,、比較實用的流量計,。渦街流量計結(jié)構(gòu)簡單牢固，安裝維護方便,，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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