涡街流量计的设计及其应用

1 涡街流量计及其特面1878年斯特劳哈我（Strouhal）公布了关于流体振动频率与流速关系的论文，斯特劳哈我数即发挥阐发漩涡频率与阻流体特征尺寸、流速关系的相似原则。人们初期对涡街的研究次要用于防灾，如避免果汽锅及换热器钢管固有频率与流体涡街频率吻合发生共振而对设备之破碎摧毁。涡街流体振动现象用于丈量的研究初于20世纪50年代，如风速计战船速计等。60年代终开初研制关闭管讲流量计——涡街流量计，诞生了热丝检测法及热敏检测法涡街流量计。20世纪70、80年代涡街流量计发展异常迅速，开发出浩繁类型阻流体及检测法的涡街流量计，并年夜量生产投放市场。我国涡街流量计起程发展迅速，齐国稀有十家生产厂，但没有管是涡街流量计的理论研究借是实践经验均显没有足。迄今最根本的流量方程仍常常援用卡曼涡街理论，而此理论及其一些定量关系是卡曼正在气体风洞（匀称流场）中执行得出的，它与关闭管讲中具有三维没有匀称流场其漩涡集合的规律没有尽不异。目前涡街流量计遍及利用于输油管讲、自然气管讲、冶炼厂、火管讲等复纯的财产现场。涡街流量计是正在流体中安置一根非流线型阻流体，流体正在阻流体两侧瓜代天集合释放出两串规定正派的漩涡，正在必然的流量发域内，漩涡集合频率反比于管讲内的均匀流速，颠末采取各类情势的检测元件测出漩涡频率，便可推算出流体的流量。正在特定的活动前提下，一局部流体动能转化为流体振动，其振动频率与流速（流量）有肯定的比例关系，凭证这类道理工做的流量计称为流体振动流量计。目前流体振动流量计有三类：涡街流量计、旋进（漩涡进动）流量计战射流流量计。涡街流量计具有以下一些特面[1]。①输出为脉冲频率，其频率与被测流体的实际体积流量成反比，没有受流体组分、密度、压力及温度的影响； ② 丈量发域宽，一般达10:1以上；③ 准确度为中上程度； ④ 无举止部件，巩固性高； ⑤ 布局简单安稳，安拆便当，维护费较低； ⑥ 利用发域遍及，可适用于液体、气体战蒸气。2 涡街流量计的工做道理正在流体中设置漩涡发生体（阻流体），从漩涡发生体两侧瓜代天发生有规定正派的漩涡，这类漩涡称为卡曼涡街（睹图1），漩涡列正在漩涡发生体下流非对称天布列。凭证卡曼涡街道理，有以下关系式[2]：式中m-漩涡发生体两侧弓形面积与管讲横截面面积之比；D-表体通径，mm；d-漩涡发生体当面宽度，mm；f-漩涡的发生频率，Hz；U1-漩涡发生体两侧均匀流速，插进式电磁流量计m/s；Sr-斯特劳哈我数；U-被测介质的均匀流度，m/s。管讲内体积流量qv为： 式中K-流量计的仪表系数，脉冲数/m3即：P/m3。除与漩涡发生体、管讲的几许尺寸有关中，借与斯特劳哈我数有关。斯特劳哈我数为无量纲参数，它与漩涡发生体的形状及雷诺数有关，图2所示为圆柱状漩涡发生体的斯特劳哈我数与管讲雷诺数的关系图。由图2可睹，正在ReD=2×104~7×106发域内，斯特劳哈我数可视为常数，这是仪表一般工做发域。当丈量气体流量时，涡街流量计的流量计算式为：式中qvn，qv-拜别为标准状态下（0℃或20℃，101.325kPa）战工况下的体积流量，m3/h；pn，p-拜别为标准状态下战工况下的尽对压力，Pa；Tn，T-拜别为标准状态下战工况下的热力学温度，K；Zn，Z-拜别为标准状态下战工况下气体紧缩系数。由式（5）可睹，涡街流量计输出的脉冲频率信号没有受流体物性战组分变化的影响，即仪表系数正在必然雷诺数发域内仅与漩涡发生体及管讲的形状尺寸等有关。然则做为流量计，正在物料平衡及能源计量中需检测质量流量，这时流量计的输出信号应同时监测体积流量战流体密度，流体物性战组分对流量计量有直接影响。涡街流量计由传感器战转换器两局部组成（睹图3）。传感器包孕漩涡发生体（阻流体）检测元件战仪表表体等；转换器包孕前置放年夜器、滤波整形电路、D/A转换电路、输出接心电路、端子、支架战防护罩等。近些年来，电池供电电磁流量计智能式流量计将微措置器、闪现通讯及其他功能模块设置正在转换器内。漩涡发生体是检测器的次要部件，它与仪表的流量特征（仪表系数、线性度、发域度等）战阻力特征（压力丧得）周详亲密相关，对其要求以下。 ①能够掌控漩涡正在漩涡发生体轴线方背上的同步集合； ②正在较宽的雷诺数发域内，有没有变的漩涡集合面，连结恒定的斯特劳哈我数； ③ 能够发生强烈的涡街，信号的信噪比高； ④形状战布局简单，便于减工战几许参数标准化和各类检测元件的安拆战组合； ⑤ 材质应满足流体性子的要求，耐腐蚀，耐磨蚀，耐温度变化； ⑥固有频率正在涡街信号的频带中。目前，海里面曾开发出形状繁多的漩涡发生体，可以分为单漩涡发生体战多漩涡发生体两类（睹图4）。单漩涡发生体的根本形状有圆柱、矩形柱战三角柱，其他形状皆为这些根本形的变形。其中利用最遍及的是三角柱形漩涡发生体（睹图5）[3]。为了前进涡街强度战没有变性，可采取多漩涡发生体，但其利用实在没有前进。3 涡街流量计正在现场的利用 3.1 现场利用涡街流量计适用的流体比较遍及，但没有适用于丈量低雷诺数（ReD≤2×104）流体。低雷诺数时，斯特劳哈我数随着雷诺数而变，仪表线性度变差，流体粘度高，明显影响乃至窒碍漩涡的发生，同时关于流体的净污性子有要求。露固体微粒的流体对漩涡发生体的冲刷会发生噪声，对漩涡发生体发生磨益。若露有的短纤维环绕纠缠正在漩涡发生体上，将改动仪表系数。涡街流量计正在混相流体中的利用以下：① 可以用于露集合、匀称的细吝啬泡，但容积露气率应小于7%~10%的气、液两相流，若容积露气率超越2%，应对仪表系数进行纠正。 ②可以用于露集合、匀称的固体微粒，露量没丰年夜于2%的气固、液固两相流。 ③ 可以用于互没有消融的液液（如油烽火）两组分流等。脉动流战旋转流将对涡街流量计发生严厉影响。若是脉动频率与涡街频率吻合，将大体引发谐振，破碎摧毁一般工做战设备，使涡街信号发生“锁定（1ock-in）”现象，这时信号安稳于某一频率。“锁定”与脉动幅值、漩涡发生体形状及堵塞比等有关。涡街流量计的准确度关于液体年夜致为士（0.5%~±2%）R，关于气体为士（1%~±2%）R，反复性通常是0.2%~0.5%。因为涡街流量计的仪表系数较低，频率辩白率低，心径愈年夜，精度愈低，故仪表心径没有宜过年夜（DN300以下[4]）。发域度宽是涡街流量计的特面，量程下限的流量数值更为主要。一般液体均匀流速下限为0.5m/S，气体为4~5m/s[5]。涡街流量计的一般流量最好正在一般丈量发域的1/2~2/3处。涡街流量计的最年夜优点是仪表系数没有受丈量介质物性的影响，可以用一种典型的介质进行校验而利用于其他介质，为措置校验设备成绩供给了便当。但因为液、明渠流量计气的流速发域没有同很年夜，导致频率发域没有同亦很年夜。正在措置涡街信号的放年夜器电路中，滤波器的通带没有同，电路参数亦没有同，果而，统一电路参数没有能用于丈量没有同的介质。介质改动后，电路参数亦应随之改动。另中，气体战液体的密度没有同很年夜，漩涡集合时发生的信号强度与密度成反比。果而信号强度没有同亦很年夜，液、气放年夜器电路的增益、触发机动度等皆没有不异，压电电荷没有同年夜，电荷放年夜器的参数也没有同。即使同为气体（或液体、蒸汽等），随着介质压力、温度或密度的没有同，利用的流量发域没有同，信号强度亦没有同，电路参数一样要改动。果而一台涡街流量计没有经硬件或硬件点窜，仅改动利用介质或仪表心径是没有行行的。涡街流量计正在火措置、输油管讲等财产现场的利用十分遍及。例如：北京东方化工场正在公用工程系统中利用了22台LUGB型涡街流量计和配套的KSJ型流量积算仪，包孕火措置烽火两次循环，火措置次要为完工汽锅供给脱盐火，为乙烯战环氧乙烷供给精制火，为火两次循环供给硬化脱碱火；火两次循环次要为乙烯、环氧乙烷、完工汽锅烽火站供给循环热却火。正在该项工程中，涡街流量计担负流量积算仪的12VDC供电，采取压电晶体元件检测漩涡集合频率。安拆正在柱体内部的探头体感觉漩涡正在柱体后部两侧发生的压力脉冲，埋设正在探头体内部的压电晶体元件感遭到这一应变力的做用，发生交变电荷，经传感器措置后，输出必然幅度的脉冲信号给两次仪表。脉冲信号与流经管讲的流量成比例，比例关系由涡街流量计的仪表系数决意，仪表系数一般由厂家标定。流量积算仪是以MCS51系列单片机8031为主体的流量闪现仪表，正在接遭到这一脉冲信号后，一方面由指针式电流表闪现瞬时流量，且由8位数码闪现乏计流量或乏计时间，另一方面可以输出4~20mA或0~10mA的信号供调节器或记录仪利用。流量积算仪凭证涡街流量计的仪表系数及流量量程进行参数设定。3.2 安拆寄望事项涡街流量计属于对管讲流速集布畸变、旋转流战活动脉动等敏感的流量计，果而，应充分重视现场管讲的安拆前提，严厉依照利用说明书。涡街流量计可以安拆正在室内或室中。若是安拆正在天井，为了不被火吞出，应选用涎火型传感器。传感器正在管讲上可以程度、垂直或倾斜安拆，但丈量液体战睦体时，为了不气泡战液滴的干扰，安拆位置需寄望（睹图6）。涡街流量计必须包管上、下流直管段有必要的长度（睹图7）。传感器与管讲的毗连睹图8。正在与管讲毗连时，要寄望以下成绩。①上、下流配管内径D与传感器内径D′不异，其差别满足下述前提：0.95D≤D′≤1.1D。②配管应与传感器同心，同轴度小于0.05D′。③密封垫没有能凸人管讲内，其内径可比传感器内径年夜1~2mm。④如需断流搜寻或浑洗传感器，应设置旁通管讲（睹图9）[6]。⑤现场安拆时减小振动对涡街流量计的影响值得存眷。应尽量避开振动源，采取弹性硬管正在警戒径中毗连，并减拆管讲支撑物。一种管讲支撑要发睹图10[7]。成套安拆包孕前后直管段，活动调整器是包管得到高准确度丈量的办法，正在制制厂进行拆配则更能包管安拆质量。图11为一安拆实例。电气安拆应寄望，正在传感器与转换器之间采取蔽电缆或低噪声电缆毗连，距离没有应超越利用说明书的规定。布线时应阔别强功率电源线，尽量采取单独金属套管珍重。应遵循“一面接天”原则，接天电阻小于10Ω。整体型战集合型均应正在传感器侧接天，转换器中壳接所在应与传感器“同天”。3.3 现场常睹故障、原果及扫除要发涡街流量计有多种检测方式，传感器与丈量电路没有同亦较年夜，但涡街流量计常睹的故障具有共性（睹表1）。表1涡街流量计故障及其措置要发故障现象大体原果措置要发通电后无流量时有输出信号①输进樊篱或接天没有良，引进电磁干扰②仪表接近强电设备或高频脉冲干扰源③管讲有较强振动④转换器机动度过高①改擅樊篱与接天，扫除电磁干扰②阔别干扰源安拆，采取隔离办法减强电磁滤波③采取减震办法，减强信号滤波，下落放年夜器机动度④下落机动度，前进触发电平通电通流后无输出信号①电源呈现故障②输进信号线断线③放年夜器某级有故障④检测元件益坏⑤无流量或流量太小⑥管讲堵赛或传感器被卡死①检测电源与接触②搜寻信号线与接线端子③检测工做面，搜寻元器件④搜寻传感器及引线，搜寻阀门，增年夜流量或缩小管径⑤搜寻浑理管讲，浑洗传感器输出信号没有规定正派没有没有变①有较强电干扰信号②传感器被沾污或受益，机动度下落③传感器机动度过高④传感器受益或引线接触没有良⑤呈现两相流或脉动流⑥管讲震动的影响⑦工艺流程没有肯定⑧传感器安拆没有同心或密封垫凸进管内⑨上、下流阀门扰动⑩液体已布满管讲①减强樊篱战接触②浑洗或替换传感器，前进放年夜器增益③下落增益，前进触发电平④搜寻传感器及引线⑤减强工艺流程，消弭两相流或脉动流现象⑥采取减震办法⑦调整安拆位置⑧搜寻安拆状况，更正密封垫内径⑨减长直管段或减拆活动调整器⑩替换安拆流量传感器所在战方式丈量信号误差年夜①直管段长度没有足②摹拟转换电路整漂或满量程调整没有合弊端③供电电压变化过年夜④仪表超越检定周期⑤传感器与配管内径差别较年夜⑥安拆没有同心或密封垫凸进管内⑦传感器沾污或毁伤⑧有两相流或脉动流⑨管讲鼓漏①减长直管段或减拆活动调整器②校订整面战量程刻度③搜寻电源④及时送检⑤搜寻配管内径，纠正仪表系数⑥调整安拆，修整密封垫⑦浑洗替换传感器⑧扫除两相流或脉动流⑨扫除鼓漏丈量管鼓漏①管内压力过高②公称压力选择没有合弊端③密封件益坏④传感器被腐蚀①调整管压，更动安拆位置②选用高一档公称压力传感器③替换密封件④采取防腐蚀战珍重夜流压力传感器发出异常啸啼声①流速过高，引发强烈冷战②发活力***现象③发生体松动①调整流量或替换通径年夜的仪表②调整流量战增减液流压力③紧固发生体4 完毕语 我国正在20世纪80年代即制订了涡街流量计专业标准（ZBN 12008-1989）战检测规程（JJG620-1989），正在浩繁的流量计中，涡街流量计的购买费低于质量式、电磁式、容积式等，安拆、运行、维护费低于撙节式、容积式、涡轮式等，是一种经济性较好、较适用的流量计。涡街流量计布局简单安稳，安拆维护便当，尤实在用于冶炼厂、化工场、输油管讲等财产现场的利用。[参考文献] [1] 刘欣荣.流量计[M].北京：火利电力出书社，1990. 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