渦街流量計(jì)的工作原理及應(yīng)用

　在特定的流動(dòng)條件下，一部分流體動(dòng)能會(huì)轉(zhuǎn)化為流體振動(dòng)，其振動(dòng)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(jì)稱為流體振動(dòng)流量計(jì)。目前流體振動(dòng)流量計(jì)有三類：渦街流量計(jì)、旋進(jìn)(旋渦進(jìn)動(dòng))流量計(jì)和射流流量計(jì)。渦街流量計(jì)具有以下一些特點(diǎn)：

　?、佥敵鰹槊}沖頻率，其頻率與被測(cè)流體的實(shí)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(cè)量范圍寬，一般范圍度可達(dá)10：1以上;

　?、劬_度為中上水平;

　　④無可動(dòng)部件，可靠性高;

　　⑤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固，安裝方便，維護(hù)費(fèi)較低;

　?、迲?yīng)用范圍廣泛，可適用液體、氣體和蒸汽。

　　渦街流量計(jì)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(duì)稱地排列。根據(jù)卡曼渦街原理，有如下關(guān)系式：

(1)
 

(2)

　　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(cè)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：

(3)

(4)

　　式中， K為流量計(jì)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(cè) 量氣體流量時(shí)，渦街流量計(jì)的流量計(jì)算式為

(5)

　　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)下和工況下的絕對(duì)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(jì)輸出的脈沖頻率信號(hào)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(jì)量中需檢測(cè)質(zhì)量流量，這時(shí)流量計(jì)應(yīng)同時(shí)監(jiān)測(cè)體積流量和流體密度，流體物性和組分就會(huì)對(duì)流量計(jì)量產(chǎn)生直接影響。

　　渦街流量計(jì)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(cè)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(hù)罩等。近年來智能式流量計(jì)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(jì)

　　在現(xiàn)場(chǎng)中的應(yīng)用

　　1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

　　渦街流量計(jì)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?yàn)樵诘屠字Z數(shù)時(shí)，斯特勞哈爾數(shù)隨著雷諾數(shù)而變，儀表線性度變差。同時(shí)，含固體微粒的流體對(duì)旋渦發(fā)生體的沖刷會(huì)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(jì)在混相流體中的應(yīng)用如下：

　?、倏捎糜诤稚ⅰ⒕鶆虻奈⑿馀?，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(duì)儀表系數(shù)進(jìn)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。

　　③可用于互不溶解的液液(如油和水)兩組分流等。

　　脈動(dòng)流和旋轉(zhuǎn)流會(huì)對(duì)渦街流量計(jì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。如果脈動(dòng)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(hào)產(chǎn)生“鎖定(Lock-in)”現(xiàn)象，這時(shí)信號(hào)會(huì)固定于某一頻率。“鎖定”與脈動(dòng)幅值、旋渦發(fā)生體形狀及堵塞比等有關(guān)。

　　渦街流量計(jì)的精確度對(duì)于液體大致在±0.5%R～±2%R之間，對(duì)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(jì)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(jì)的特點(diǎn)，但重要的一點(diǎn)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(jì)的正常流量最好在正常測(cè)量范圍的1/2～2/3處。

　　渦街流量計(jì)的最大優(yōu)點(diǎn)是儀表系數(shù)不受測(cè)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(hào)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(cè)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(shí)產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)度與密度成正比，因此信號(hào)強(qiáng)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(hào)強(qiáng)度亦 不同，電路參數(shù)同樣要改變。因此，一臺(tái)渦街流量計(jì)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(xiàng)

　　渦街流量計(jì)屬于對(duì)管道流速分布畸變、旋轉(zhuǎn)流和流動(dòng)脈動(dòng)等敏感的流量計(jì)，因此，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(jì)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(cè)量液體和氣體時(shí)為防止氣泡和液滴的干擾，要注意安裝位置(見圖4)。

　　圖4 測(cè)量含液體和含氣液體的流量?jī)x表安裝

　　渦街流量計(jì)必須保證上、下游直管段有必要的長(zhǎng)度(見圖5)。

　　圖5 渦街流量計(jì)對(duì)上、下游直管段長(zhǎng)度的要求

　　在圖5中，a為一個(gè)90°彎頭，b 為同心擴(kuò)管，c為同心收縮全開閥門，d為不同平面兩個(gè)90°彎頭，e為調(diào)節(jié)閥半開閥門，f為同一平面兩個(gè)90°彎頭。

　　傳感器與管道的連接如圖6所示，在與管道連接時(shí)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;

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

　?、?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

　?、?減小振動(dòng)對(duì)渦街流量計(jì)的影響應(yīng)該作為渦街流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)安裝的一個(gè)突出問題來關(guān)注。首先，在選擇傳感器安裝場(chǎng)所時(shí)盡量注意避開振動(dòng)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(shí)應(yīng)遠(yuǎn)離強(qiáng)功率電源線，盡量用單獨(dú) 金屬套管保護(hù)。應(yīng)遵循“一點(diǎn)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(diǎn)應(yīng)與傳感器“同地”。

　　3 現(xiàn)場(chǎng)常見故障現(xiàn)象、原因及排除方法

　　渦街流量計(jì)有多種檢測(cè)方式，傳感器和測(cè)量電路差別也較大，但渦街流量計(jì)常見的故障有共性(見表1)。

　　表1 渦街流量計(jì)故障及其處理方法

　　結(jié)語(yǔ)

　　在眾多的流量計(jì)中，渦街流量計(jì)的購(gòu)置費(fèi)低于質(zhì)量式、電磁式、容積式等類型，而安裝、運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)低于節(jié)流式、容積式、渦輪式等類型，是一種經(jīng)濟(jì)性較好、比較實(shí)用的流量計(jì)。渦街流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固，安裝維護(hù)方便，尤其適用于冶煉廠、化工廠、輸油管道等工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的使用。