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渦街流量計的原理和計算公式

作者:發(fā)布日期:2016-12-13 09:34:27來源:上海瓷熙瀏覽:324
渦街流量計的工作原理和計算公式,本文將具體說明這兩大點
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精確度為中上水平;
④無可動部件,可靠性高;
⑤結構簡單牢固,安裝方便,維護費較低;
⑥應用范圍廣泛,可適用液體、氣體和蒸汽! 
 
渦街流量計的工作原理
    在流體中設置旋渦發(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
   
在現(xiàn)場中的應用
 
1 現(xiàn)場應用
 
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。
 
渦街流量計的精確度對于液體大致在±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最好在正常測量范圍的1/2~2/3處。
 
渦街流量計的最大優(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
 
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(見表1)。
 
 
表1  渦街流量計故障及其處理方法
 
結語
 
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。渦街流量計結構簡單牢固,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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