渦街流量計(jì)的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用

發(fā)布時(shí)間： 2011-04-21　　點(diǎn)擊次數(shù)： 2800次

1 渦街流量計(jì)及其優(yōu)點(diǎn)　　1878年斯特勞哈爾（Strouhal）發(fā)表了關(guān)于流體振動(dòng)頻率與流速關(guān)系的論文，斯特勞哈爾數(shù)即表示旋渦頻率與阻流體特征尺寸、流速關(guān)系的相似準(zhǔn)則。人們?cè)缙趯?duì)渦街的研究主要用于防災(zāi)，如防止因鍋爐及換熱器鋼管固有頻率與流體渦街頻率吻合產(chǎn)生共振而對(duì)設(shè)備之破壞。渦街流體振動(dòng)現(xiàn)象用于測(cè)...

　　1 渦街流量計(jì)及其優(yōu)點(diǎn)

　　1878年斯特勞哈爾（Strouhal）發(fā)表了關(guān)于流體振動(dòng)頻率與流速關(guān)系的論文，斯特勞哈爾數(shù)即表示旋渦頻率與阻流體特征尺寸、流速關(guān)系的相似準(zhǔn)則。人們?cè)缙趯?duì)渦街的研究主要用于防災(zāi)，如防止因鍋爐及換熱器鋼管固有頻率與流體渦街頻率吻合產(chǎn)生共振而對(duì)設(shè)備之破壞。渦街流體振動(dòng)現(xiàn)象用于測(cè)量的研究始于20世紀(jì)50年代，如風(fēng)速計(jì)和船速計(jì)等。60年代末開始研制封閉管道流量計(jì)——渦街流量計(jì)，誕生了熱絲檢測(cè)法及熱敏檢測(cè)法渦街流量計(jì)。20世紀(jì)70、80年代渦街流量計(jì)發(fā)展異常迅速，開發(fā)出眾多類型阻流體及檢測(cè)法的渦街流量計(jì)，并大量生產(chǎn)投放市場(chǎng)。

　　中國(guó)渦街流量計(jì)生產(chǎn)發(fā)展迅速，全國(guó)有數(shù)十家生產(chǎn)廠，但無(wú)論是渦街流量計(jì)的理論研究還是實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)均顯不足。迄今zui基本的流量方程仍經(jīng)常引用卡曼渦街理論，而此理論及其一些定量關(guān)系是卡曼在氣體風(fēng)洞（均勻流場(chǎng)）中實(shí)驗(yàn)得出的，它與封閉管道中具有三維不均勻流場(chǎng)其旋渦分離的規(guī)律不盡相同。目前渦街流量計(jì)廣泛應(yīng)用于輸油管道、天然氣管道、冶煉廠、水管道等復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。

　　渦街流量計(jì)是在流體中安放一根非流線型阻流體，流體在阻流體兩側(cè)交替地分離釋放出兩串規(guī)則的旋渦，在一定的流量范圍內(nèi)，旋渦分離頻率正比于管道內(nèi)的平均流速，通過(guò)采用各種形式的檢測(cè)元件測(cè)出旋渦頻率，即可推算出流體的流量。在特定的流動(dòng)條件下，一部分流體動(dòng)能轉(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，根據(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)具有以下一些優(yōu)點(diǎn)[1]。

　　①輸出為脈沖頻率，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、壓力及溫度的影響；
　　② 測(cè)量范圍寬，一般達(dá)10:1以上；
　　③ 度為中上水平；
　　④ 無(wú)運(yùn)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；
　　⑥ 應(yīng)用范圍廣泛，可適用于液體、氣體和蒸氣。

　　2 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[2]：

　　式中 m-旋渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積與管道橫截面面積之比；D-表體通徑，mm；d-旋渦發(fā)生體迎面寬度，mm；f-旋渦的發(fā)生頻率，Hz；U1-旋渦發(fā)生體兩側(cè)平均流速，m/s；Sr-斯特勞哈爾數(shù)；U-被測(cè)介質(zhì)的平均流度，m/s。

　　管道內(nèi)體積流量qv為：

　　式中K-流量計(jì)的儀表系數(shù)，脈沖數(shù)/m3即：P/m3。

　　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(wú)量綱參數(shù)，它與旋渦發(fā)生體的形狀及雷諾數(shù)有關(guān)，圖2所示為圓柱狀旋渦發(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范圍內(nèi)，斯特勞哈爾數(shù)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：

　　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，m3/h；pn，p-分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下和工況下的壓力，Pa；Tn，T-分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下和工況下的熱力學(xué)溫度，K；Zn，Z-分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下和工況下氣體壓縮系數(shù)。

　　由式（5）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)。但是作為流量計(jì)，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)的輸出信號(hào)應(yīng)同時(shí)監(jiān)測(cè)體積流量和流體密度，流體物性和組分對(duì)流量計(jì)量有直接影響。

　　渦街流量計(jì)由傳感器和轉(zhuǎn)換器兩部分組成（見圖3）。傳感器包括旋渦發(fā)生體（阻流體）、檢測(cè)元件和儀表表體等；轉(zhuǎn)換器包括前置放大器、濾波整形電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、輸出接口電路、端子、支架和防護(hù)罩等。近年來(lái)，智能式流量計(jì)將微處理器、顯示通訊及其他功能模塊設(shè)置在轉(zhuǎn)換器內(nèi)。

　　旋渦發(fā)生體是檢測(cè)器的主要部件，它與儀表的流量特性（儀表系數(shù)、線性度、范圍度等）和阻力特性（壓力損失）密切相關(guān)，對(duì)其要求如下。

　　① 能夠控制旋渦在旋渦發(fā)生體軸線方向上的同步分離；
　　② 在較寬的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，有穩(wěn)定的旋渦分離點(diǎn)，保持恒定的斯特勞哈爾數(shù)；
　　③ 能夠產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦街，信號(hào)的信噪比高；
　　④ 形狀和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于加工和幾何參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化以及各種檢測(cè)元件的安裝和組合；
　　⑤ 材質(zhì)應(yīng)滿足流體性質(zhì)的要求，耐腐蝕，耐磨蝕，耐溫度變化；
　　⑥ 固有頻率在渦街信號(hào)的頻帶外。

　　目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)出形狀繁多的旋渦發(fā)生體，可以分為單旋渦發(fā)生體和多旋渦發(fā)生體兩類（見圖4）。單旋渦發(fā)生體的基本形狀有圓柱、矩形柱和三角柱，其他形狀皆為這些基本形的變形。其中應(yīng)用zui廣泛的是三角柱形旋渦發(fā)生體（見圖5）[3]。為了提高渦街強(qiáng)度和穩(wěn)定性，可采用多旋渦發(fā)生體，但其應(yīng)用并不普遍。

　　3 渦街流量計(jì)在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用

　　3.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

　　渦街流量計(jì)適用的流體比較廣泛，但不適用于測(cè)量低雷諾數(shù)（ReD≤2×104）流體。低雷諾數(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，流體粘度高，顯著影響甚至阻礙旋渦的產(chǎn)生，同時(shí)對(duì)于流體的臟污性質(zhì)有要求。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，對(duì)旋渦發(fā)生體產(chǎn)生磨損。若含有的短纖維纏繞在旋渦發(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：

　　① 可以用于含分散、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%，應(yīng)對(duì)儀表系數(shù)進(jìn)行修正。
　　② 可以用于含分散、均勻的固體微粒，含量不大于2%的氣固、液固兩相流。
　　③ 可以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)流將對(duì)渦街流量計(jì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。如果脈動(dòng)頻率與渦街頻率吻合，將可能引起諧振，破壞正常工作和設(shè)備，使渦街信號(hào)產(chǎn)生“鎖定（1ock-in）”現(xiàn)象，這時(shí)信號(hào)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)的度對(duì)于液體大致為士（0.5%~±2%）R，對(duì)于氣體為士（1%~±2%）R，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(guò)大（DN300以下[4]）。

　　范圍度寬是渦街流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，量程下限的流量數(shù)值更為重要。一般液體平均流速下限為0.5m/S，氣體為4~5m/s[5]。渦街流量計(jì)的正常流量在正常測(cè)量范圍的1/2~2/3處。

　　渦街流量計(jì)的zui大優(yōu)點(diǎn)是儀表系數(shù)不受測(cè)量介質(zhì)物性的影響，可以用一種典型的介質(zhì)進(jìn)行校驗(yàn)而應(yīng)用于其他介質(zhì)，為解決校驗(yàn)設(shè)備問(wèn)題提供了便利。但由于液、氣的流速范圍差別很大，導(dǎo)致頻率范圍差別亦很大。在處理渦街信號(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)量不同的介質(zhì)。介質(zhì)改變后，電路參數(shù)亦應(yīng)隨之改變。

　　另外，氣體和液體的密度差別很大，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)也不同。即使同為氣體（或液體、蒸汽等），隨著介質(zhì)壓力、溫度或密度的不同，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，僅改變使用介質(zhì)或儀表口徑是不可行的。

　　渦街流量計(jì)在水處理、輸油管道等工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用十分廣泛。例如：北京東方化工廠在公用工程系統(tǒng)中使用了22臺(tái)LUGB型渦街流量計(jì)以及配套的KSJ型流量積算儀，包括水處理和水二次循環(huán)，水處理主要為開工鍋爐提供脫鹽水，為乙烯和環(huán)氧乙烷提供精制水，為水二次循環(huán)提供軟化脫堿水；水二次循環(huán)主要為乙烯、環(huán)氧乙烷、開工鍋爐和水站提供循環(huán)冷卻水。在該項(xiàng)工程中，渦街流量計(jì)接受流量積算儀的12VDC供電，采用壓電晶體元件檢測(cè)旋渦分離頻率。安裝在柱體內(nèi)部的探頭體感受旋渦在柱體后部?jī)蓚?cè)產(chǎn)生的壓力脈沖，埋設(shè)在探頭體內(nèi)部的壓電晶體元件感受到這一應(yīng)變力的作用，產(chǎn)生交變電荷，經(jīng)傳感器處理后，輸出一定幅度的脈沖信號(hào)給二次儀表。脈沖信號(hào)與流經(jīng)管道的流量成比例，比例關(guān)系由渦街流量計(jì)的儀表系數(shù)決定，儀表系數(shù)一般由廠家標(biāo)定。

　　流量積算儀是以MCS51系列單片機(jī)8031為主體的流量顯示儀表，在接受到這一脈沖信號(hào)后，一方面由指針式電流表顯示瞬時(shí)流量，且由8位數(shù)碼顯示累計(jì)流量或累計(jì)時(shí)間，另一方面可以輸出4~20mA或0~10mA的信號(hào)供調(diào)節(jié)器或記錄儀使用。流量積算儀根據(jù)渦街流量計(jì)的儀表系數(shù)及流量量程進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。

　　3.2 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，應(yīng)充分重視現(xiàn)場(chǎng)管道的安裝條件，嚴(yán)格遵照使用說(shuō)明書。

　　渦街流量計(jì)可以安裝在室內(nèi)或室外。如果安裝在地井，為了防止被水淹沒(méi)，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)，為了防止氣泡和液滴的干擾，安裝位置需注意（見圖6）。

　　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7）。

　　傳感器與管道的連接見圖8。在與管道連接時(shí)，要注意以下問(wèn)題。

　　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，同軸度小于0.05D′。
　　③密封墊不能凸人管道內(nèi)，其內(nèi)徑可比傳感器內(nèi)徑大1~2mm。
　　④如需斷流檢查或清洗傳感器，應(yīng)設(shè)置旁通管道（見圖9）[6]。

　　⑤現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)減小振動(dòng)對(duì)渦街流量計(jì)的影響值得關(guān)注。應(yīng)盡量避開振動(dòng)源，采用彈性軟管在小口徑中連接，并加裝管道支撐物。一種管道支撐方法見圖10[7]。

　　成套安裝包括前后直管段，流動(dòng)調(diào)整器是保證獲得高度測(cè)量的措施，在制造廠進(jìn)行裝配則更能保證安裝質(zhì)量。圖11為一安裝實(shí)例。

　　電氣安裝應(yīng)注意，在傳感器與轉(zhuǎn)換器之間采用蔽電纜或低噪聲電纜連接，距離不應(yīng)超過(guò)使用說(shuō)明書的規(guī)定。布線時(shí)應(yīng)遠(yuǎn)離強(qiáng)功率電源線，盡量采用單獨(dú)金屬套管保護(hù)。應(yīng)遵循“一點(diǎn)接地”原則，接地電阻小于10Ω。整體型和分離型均應(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”。

　　3.3 現(xiàn)場(chǎng)常見故障、原因及排除方法

　　渦街流量計(jì)有多種檢測(cè)方式，傳感器與測(cè)量電路差別亦較大，但渦街流量計(jì)常見的故障具有共性（見表1）。

表1 渦街流量計(jì)故障及其處理方法

故障現(xiàn)象	可能原因	處理方法
通電后無(wú)流量時(shí)有輸出信號(hào)	①輸入屏蔽或接地不良，引入電磁干擾 ②儀表靠近強(qiáng)電設(shè)備或高頻脈沖干擾源 ③管道有較強(qiáng)振動(dòng) ④轉(zhuǎn)換器靈敏度過(guò)高	①改善屏蔽與接地，排除電磁干擾 ②遠(yuǎn)離干擾源安裝，采用隔離措施加強(qiáng)電磁濾波 ③采取減震措施，加強(qiáng)信號(hào)濾波，降低放大器靈敏度 ④降低靈敏度，提高觸發(fā)電平
通電通流后無(wú)輸出信號(hào)	①電源出現(xiàn)故障 ②輸入信號(hào)線斷線 ③放大器某級(jí)有故障 ④檢測(cè)元件損壞 ⑤無(wú)流量或流量過(guò)小 ⑥管道堵賽或傳感器被卡死	①檢測(cè)電源與接觸 ②檢查信號(hào)線與接線端子 ③檢測(cè)工作點(diǎn)，檢查元器件 ④檢查傳感器及引線，檢查閥門，增大流量或縮小管徑 ⑤檢查清理管道，清洗傳感器
輸出信號(hào)不規(guī)則不穩(wěn)定	①有較強(qiáng)電干擾信號(hào) ②傳感器被沾污或受損，靈敏度降低 ③傳感器靈敏度過(guò)高 ④傳感器受損或引線接觸不良 ⑤出現(xiàn)兩相流或脈動(dòng)流 ⑥管道震動(dòng)的影響 ⑦工藝流程不確定 ⑧傳感器安裝不同心或密封墊凸入管內(nèi) ⑨上、下游閥門擾動(dòng) ⑩液體未充滿管道	①加強(qiáng)屏蔽和接觸 ②清洗或更換傳感器，提高放大器增益 ③降低增益，提高觸發(fā)電平 ④檢查傳感器及引線 ⑤加強(qiáng)工藝流程，消除兩相流或脈動(dòng)流現(xiàn)象 ⑥采取減震措施 ⑦調(diào)整安裝位置 ⑧檢查安裝情況，改正密封墊內(nèi)徑 ⑨加長(zhǎng)直管段或加裝流動(dòng)調(diào)整器 ⑩更換安裝流量傳感器地點(diǎn)和方式
測(cè)量信號(hào)誤差大	①直管段長(zhǎng)度不足 ②模擬轉(zhuǎn)換電路零漂或滿量程調(diào)整不對(duì) ③供電電壓變化過(guò)大 ④儀表超過(guò)檢定周期 ⑤傳感器與配管內(nèi)徑差異較大 ⑥安裝不同心或密封墊凸入管內(nèi) ⑦傳感器沾污或損傷 ⑧有兩相流或脈動(dòng)流 ⑨管道泄漏	①加長(zhǎng)直管段或加裝流動(dòng)調(diào)整器 ②校正零點(diǎn)和量程刻度 ③檢查電源 ④及時(shí)送檢 ⑤檢查配管內(nèi)徑，修正儀表系數(shù) ⑥調(diào)整安裝，修整密封墊 ⑦清洗更換傳感器 ⑧排除兩相流或脈動(dòng)流 ⑨排除泄漏
測(cè)量管泄漏	①管內(nèi)壓力過(guò)高 ②公稱壓力選擇不對(duì) ③密封件損壞 ④傳感器被腐蝕	①調(diào)整管壓，更改安裝位置 ②選用高一檔公稱壓力傳感器 ③更換密封件 ④采取防腐蝕和保護(hù)夜流壓力
傳感器發(fā)出異常嘯叫聲	①流速過(guò)高，引起強(qiáng)烈顫動(dòng) ②產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象 ③發(fā)生體松動(dòng)	①調(diào)整流量或更換通徑大的儀表 ②調(diào)整流量和增加液流壓力 ③緊固發(fā)生體

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　中國(guó)在20世紀(jì)80年代即制訂了渦街流量計(jì)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（ZBN 12008-1989）和檢測(cè)規(guī)程（JJG 620-1989），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，安裝、運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)低于節(jié)流式、容積式、渦輪式等，是一種經(jīng)濟(jì)性較好、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。

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