渦街流量計的現場應用

    在特定的流動條件下，一部分流體動能會轉化為流體振動，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(zai)流(liu)體中設置旋渦(wo)(wo)發(fa)生(sheng)體（阻(zu)流(liu)體），從旋渦(wo)(wo)發(fa)生(sheng)體兩側交替地產生(sheng)有規(gui)則(ze)的(de)旋渦(wo)(wo)，這種旋渦(wo)(wo)稱為卡(ka)曼渦(wo)(wo)街（見(jian)圖1），旋渦(wo)(wo)列在(zai)旋渦(wo)(wo)發(fa)生(sheng)體下(xia)游非(fei)對稱地排列。根據卡(ka)曼渦(wo)(wo)街原理(li)，有如下(xia)關系式：

　　式(shi)中，m為旋渦發生(sheng)體兩側(ce)弓形(xing)面積(ji)與(yu)管(guan)道(dao)橫(heng)截面面積(ji)之比(bi)；D為表體通徑；d為旋渦發生(sheng)體迎(ying)面寬(kuan)度；f為旋渦的(de)發生(sheng)頻率；U1為旋渦發生(sheng)體兩側(ce)平(ping)均(jun)流速；Sr為斯特勞哈(ha)爾數；U為被測介質流的(de)平(ping)均(jun)速度。

圖1  卡曼渦(wo)街

管(guan)道(dao)內體積流量(liang)qv為：

式中， K為(wei)流量計(ji)的儀表(biao)系數(shu)，單位為(wei)脈沖數(shu)/m3。

　　K除與旋渦發生體、管道的幾何尺寸有關外，還與斯特勞哈爾數有關。斯特勞哈爾數為無量綱參數，它與旋渦發生體形狀及雷諾數有關，圖2為圓柱狀旋渦發生體的斯特勞哈爾數與管道雷諾數的關系圖。由圖2可見，在ReD=2×104～7×106的范圍內，Sr可視為常數，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(bie)(bie)為(wei)(wei)標準(zhun)(zhun)(zhun)狀態下(xia)(xia)（0℃或(huo)20℃，101.325kPa）和工況(kuang)下(xia)(xia)的(de)體積(ji)流量； Pn、P分別(bie)(bie)為(wei)(wei)標準(zhun)(zhun)(zhun)狀態下(xia)(xia)和工況(kuang)下(xia)(xia)的(de)壓力；Tn、T分別(bie)(bie)為(wei)(wei)標準(zhun)(zhun)(zhun)狀態下(xia)(xia)和工況(kuang)下(xia)(xia)的(de)熱力學(xue)溫(wen)度；Zn、Z分別(bie)(bie)為(wei)(wei)標準(zhun)(zhun)(zhun)狀態下(xia)(xia)和工況(kuang)下(xia)(xia)氣體壓縮(suo)系(xi)數。

圖2  斯特(te)勞(lao)哈爾(er)數(shu)與雷諾數(shu)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，即儀表系數在一定雷諾數范圍內僅與旋渦發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量流量，這時流量計應同時監測(ce)體積流量和(he)(he)流體密度(du)，流體物性和(he)(he)組分(fen)就會對(dui)流量計量產生直接(jie)影(ying)響。

　　渦街流量計由傳感器(qi)和轉(zhuan)換器(qi)兩部分組(zu)成(cheng)，如圖3所(suo)示。傳感器(qi)包(bao)括(kuo)旋渦(wo)發生體(ti)（阻(zu)流(liu)體(ti)）、檢測元(yuan)件、儀(yi)表表體(ti)等；轉(zhuan)換器(qi)包(bao)括(kuo)前置放大器(qi)、濾波整形電(dian)路(lu)、DAC、輸出(chu)接口電(dian)路(lu)、端子、支架和防(fang)護(hu)罩等。近年來智能(neng)式流(liu)量計還把微(wei)處理器(qi)、顯示通信及(ji)其(qi)他(ta)功(gong)能(neng)模塊裝在轉(zhuan)換器(qi)內。

圖3  渦街流量計

在現場中的應用

1 現場應用

　　渦街流量計適用的流(liu)體(ti)(ti)比較(jiao)廣(guang)泛，但不適用于(yu)低雷諾數(shu)（ReD≤2×104）流(liu)體(ti)(ti)。因為在低雷諾數(shu)時，斯特(te)勞(lao)哈爾數(shu)隨著雷諾數(shu)而變(bian)，儀表(biao)線(xian)性度(du)變(bian)差。同時，含固體(ti)(ti)微粒的流(liu)體(ti)(ti)對(dui)旋渦發(fa)生體(ti)(ti)的沖刷會產生噪聲，其含有的短纖(xian)維若纏繞在旋渦發(fa)生體(ti)(ti)上(shang)將改變(bian)儀表(biao)系數(shu)。

渦街流量計在混相(xiang)流(liu)體中的應用如下：

　　①可(ke)用于(yu)含(han)分散、均勻的微小(xiao)氣(qi)泡(pao)，但容積(ji)含(han)氣(qi)率應(ying)小(xiao)于(yu)7%～10%的氣(qi)、液兩(liang)相流(liu)，若容積(ji)含(han)氣(qi)率超出2%就應(ying)對儀表系(xi)數進行修正。

　　②可(ke)用于(yu)含(han)分散(san)、均勻(yun)的固(gu)(gu)體微粒，含(han)量不大于(yu)2%的氣固(gu)(gu)、液(ye)固(gu)(gu)兩相流。

　　③可用于互不(bu)溶解(jie)的液液（如(ru)油和水）兩組分流等。

　　脈動流和旋轉流會對渦街流量計產生嚴重影響(xiang)。如果脈動頻(pin)率(lv)與(yu)渦(wo)街頻(pin)率(lv)頻(pin)帶(dai)合拍可能引(yin)起諧振，破壞正常工作和設(she)備，使渦(wo)街信(xin)(xin)號產生“鎖定（Lock-in）”現象，這時信(xin)(xin)號會固定于某一頻(pin)率(lv)。“鎖定”與(yu)脈動幅值、旋渦(wo)發生體形狀及堵塞比等有關。

　　渦街流量計的度對于液體(ti)大(da)(da)(da)致在±0.5%R～±2%R之(zhi)間，對于氣體(ti)在±l%R～±2%R之(zhi)間，重復性一般為(wei)  0.2%～0.5%。由(you)于渦街流量計的儀(yi)表系數較(jiao)低(di)(di)，頻率分(fen)辨率低(di)(di)，口徑(jing)愈大(da)(da)(da)精度愈低(di)(di)，故儀(yi)表口徑(jing)不宜過大(da)(da)(da)（DN300以下）。

　　范圍度寬是渦街流量計的(de)(de)特點(dian)，但重(zhong)要的(de)(de)一點(dian)是量(liang)程下限(xian)的(de)(de)流量(liang)數值。一般(ban)液體(ti)平(ping)均(jun)流速下限(xian)為0.5m/s，氣體(ti)為4～5m／s。渦街(jie)流量(liang)計的(de)(de)正常流量(liang)在(zai)正常測量(liang)范(fan)圍的(de)(de)1/2～2/3處(chu)。

　　渦街流量計的(de)zui大優點是儀表系數不(bu)受測量介質(zhi)(zhi)物性的(de)影響，可以(yi)由(you)一種典型介質(zhi)(zhi)推廣到其他介質(zhi)(zhi)上(shang)。但由(you)于液、氣的(de)流速(su)范圍差別(bie)很(hen)大，導致頻(pin)率(lv)范圍亦差別(bie)很(hen)大。處理渦街信號的(de)放大器(qi)電(dian)(dian)路(lu)(lu)(lu)中，濾波器(qi)的(de)通帶不(bu)同，電(dian)(dian)路(lu)(lu)(lu)參數亦不(bu)同，因(yin)此，同一電(dian)(dian)路(lu)(lu)(lu)參數不(bu)能用于測量不(bu)同介質(zhi)(zhi)。

　　另外，氣體和液體的密度差別很大，而旋渦分離時產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、觸發靈敏度等皆不相同，壓電電荷差別大，電荷放大器的參數也不相同。即使同為氣體（或液體、蒸汽），隨著介質壓力、溫度、密度不同，使用的流量范圍不同，信號強度亦不同，電路參數同樣要改變。因此，一臺渦街流量計不(bu)經硬(ying)件(jian)或軟件(jian)修改，改變(bian)使用介質或改變(bian)儀(yi)表(biao)口徑是不(bu)可行的。

2 安裝注意事項

　　渦街流量計屬(shu)于對(dui)管(guan)道流(liu)速分(fen)布畸變(bian)、旋轉(zhuan)流(liu)和流(liu)動(dong)脈動(dong)等敏感(gan)的流(liu)量計，因此，對(dui)現(xian)場管(guan)道安(an)裝(zhuang)條件應充(chong)分(fen)重視，嚴(yan)格遵照使用說明書執行。

　　渦街流量計可安裝(zhuang)在(zai)室(shi)內或室(shi)外。如果(guo)安裝(zhuang)在(zai)地井里，為防止(zhi)被(bei)水淹沒，應選用(yong)涎水型傳感(gan)(gan)器。傳感(gan)(gan)器在(zai)管道上可以水平、垂直(zhi)或傾斜(xie)安裝(zhuang)，但測量液(ye)體(ti)和氣體(ti)時為防止(zhi)氣泡和液(ye)滴的干擾(rao)，要注意安裝(zhuang)位置（見圖(tu)4）。

圖(tu)4  測量(liang)含液(ye)體和含氣液(ye)體的流量(liang)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(tu)5  渦街流量計對上、下游直管段長(chang)度(du)的要求

　　在圖5中，a為(wei)一個90°彎(wan)頭(tou)，b 為(wei)同(tong)心擴管，c為(wei)同(tong)心收縮全開閥(fa)門，d為(wei)不同(tong)平(ping)面兩(liang)個90°彎(wan)頭(tou)，e為(wei)調節閥(fa)半開閥(fa)門，f為(wei)同(tong)一平(ping)面兩(liang)個90°彎(wan)頭(tou)。

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(chuan)感器與(yu)管道的連接

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

　　② 配管應與傳感器(qi)同心，同軸度應小(xiao)于0.05D’；

　　③ 密封墊不能凸(tu)入管道內(nei)，其(qi)內(nei)徑可比傳感器內(nei)徑大1～2mm；

　　④ 如需斷流檢查與清洗傳感器(qi)，應設置旁通管道（見圖(tu)7）；

圖7  旁通管道(dao)示意圖

　　⑤ 減小(xiao)振動(dong)對渦街流量(liang)計的影響應該作為渦街流量(liang)計現(xian)場安裝的一(yi)個(ge)突出問題來(lai)關注。首先，在(zai)選擇傳感器安裝場所(suo)時盡量(liang)注意(yi)避開振動(dong)源；其(qi)次，采用彈性(xing)軟管(guan)連接(jie)在(zai)小(xiao)口(kou)徑中可(ke)以考(kao)慮；第三，加裝管(guan)道支撐物是有(you)效的減振方法。

　　電(dian)氣安裝應(ying)注意傳(chuan)感器(qi)(qi)與(yu)(yu)轉換器(qi)(qi)之間(jian)采(cai)用(yong)(yong)屏蔽(bi)電(dian)纜或低噪聲電(dian)纜連(lian)接，其距離(li)不應(ying)超過使(shi)用(yong)(yong)說明書的規定。布線時應(ying)遠離(li)強功率電(dian)源線，盡量用(yong)(yong)單獨金屬套管保護。應(ying)遵循“一點接地(di)”原則(ze)，接地(di)電(dian)阻(zu)應(ying)小(xiao)于10Ω。整體型(xing)(xing)和分離(li)型(xing)(xing)都應(ying)在傳(chuan)感器(qi)(qi)側接地(di)，轉換器(qi)(qi)外殼接地(di)點應(ying)與(yu)(yu)傳(chuan)感器(qi)(qi)“同地(di)”。

3 現場常見故障現象、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。
結語

　　在眾多(duo)的(de)流(liu)量計(ji)中，渦街(jie)流(liu)量計(ji)的(de)購置費低于(yu)質量式(shi)、電磁(ci)式(shi)、容積(ji)式(shi)等類型(xing)，而安(an)裝(zhuang)、運行、維護費低于(yu)節(jie)流(liu)式(shi)、容積(ji)式(shi)、渦輪式(shi)等類型(xing)，是一(yi)種(zhong)經濟性(xing)較好、比較實用(yong)的(de)流(liu)量計(ji)。渦街(jie)流(liu)量計(ji)結構簡單(dan)牢固，安(an)裝(zhuang)維護方便(bian)，尤(you)其適(shi)用(yong)于(yu)冶煉廠、化工廠、輸油管道等工業現場的(de)使(shi)用(yong)。

；景向前