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渦街流量計的現(xiàn)場應用 |
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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： 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外，還與斯特勞哈爾數(shù)有關。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，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。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 1 現(xiàn)場應用 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用如下： ①可用于含分散、均勻的微小氣泡，但容積含氣率應小于7%～10%的氣、液兩相流，若容積含氣率超出2%就應對儀表系數(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。 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
圖4 測量含液體和含氣液體的流量儀表安裝 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 配管應與傳感器同心，同軸度應小于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，應設置旁通管道（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該作為渦街流量計現(xiàn)場安裝的一個突出問題來關注。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，其距離不應超過使用說明書的規(guī)定。布線時應遠離強功率電源線，盡量用單獨金屬套管保護。應遵循“一點接地”原則，接地電阻應小于10Ω。整體型和分離型都應在傳感器側(cè)接地，轉(zhuǎn)換器外殼接地點應與傳感器“同地”。 3 現(xiàn)場常見故障現(xiàn)象、原因及排除方法 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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