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渦街流量計的現(xiàn)場應(yīng)用

    渦街流量計在指定的流動條件下，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精度為中上水平；
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。　　
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分別為標準狀態(tài)下（0℃或20℃，101.325kPa）和工況下的體積流量； Pn、P分別為標準狀態(tài)下和工況下的絕對壓力；Tn、T分別為標準狀態(tài)下和工況下的熱力學(xué)溫度；Zn、Z分別為標準狀態(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：

　　①可用于含分散、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。

　　②可用于含分散、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)流會對渦街流量計產(chǎn)生嚴重影響。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)。

　　渦街流量計的精度對于液體大致在±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

　　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；

　　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。