渦街(jie)流量計(ji)的(de)現場應用

    渦(wo)街流量(liang)計 在指定(ding)的流(liu)動條件下，一部(bu)分流(liu)體動能會(hui)轉化(hua)爲流體振(zhen)動，其振動(dong)頻率(lü)與流(liu)速(su)（流(liu)量）有(you)确定的比(bi)例關系，依(yi)據(ju)這種原(yuan)理工作(zuo)的(de)流量計 稱(cheng)爲流體振(zhen)動流(liu)量(liang)計。目前流體(ti)振動(dong)流量(liang)計有三類：渦街流量(liang)計、旋(xuan)進（旋(xuan)渦進動）流(liu)量計和射(she)流流量計(ji)。渦街流量(liang)計具有以(yi)下(xia)一些特(te)點：
①輸出爲(wei)脈沖(chong)頻率(lü)，其頻率與(yu)被測流體的實際體(ti)積(ji)流量成(cheng)正比(bi)，不(bu)受(shou)流體(ti)組分(fen)、密度、壓力(li)、溫度(du)的(de)影(ying)響；
②測量範(fan)圍寬，一般(ban)範圍度可(ke)達10：1以上；
③精度(du)爲(wei)中上(shang)水平(ping)；
④無可(ke)動部件，可(ke)靠性高；
⑤結(jie)構簡(jian)單牢(lao)固，安(an)裝方(fang)便，維護費(fei)較低；
⑥應用範圍(wei)廣泛(fan)，可(ke)适(shi)用液(ye)體、氣(qi)體和蒸汽(qi)。　　
工作(zuo)原理
    在流(liu)體中設置(zhi)旋渦(wo)發生體（阻流體(ti)），從旋渦(wo)發(fa)生體兩側交(jiao)替(ti)地産(chan)生有規則(ze)的旋(xuan)渦，這(zhe)種(zhong)旋(xuan)渦稱(cheng)爲卡(ka)曼(man)渦(wo)街（見(jian)圖1），旋(xuan)渦(wo)列在旋(xuan)渦發生(sheng)體(ti)下遊(you)非對(dui)稱(cheng)地排列(lie)。根據卡曼渦街(jie)原理(li)，有(you)如下關(guan)系式：

　　式中(zhong)，m爲旋渦發生體兩側(ce)弓形面積(ji)與管(guan)道橫截面(mian)面積(ji)之比；D爲(wei)表體通(tong)徑；d爲(wei)旋渦發生(sheng)體迎(ying)面(mian)寬度；f爲(wei)旋渦(wo)的(de)發生頻(pin)率；U1爲旋渦(wo)發生體兩(liang)側平(ping)均流(liu)速；Sr爲斯特(te)勞哈爾數(shu)；U爲(wei)被測介(jie)質流的平均速度。

圖(tu)1  卡(ka)曼渦街(jie)

管道内體(ti)積流(liu)量qv爲(wei)：

式(shi)中， K爲流(liu)量計的(de)儀表系數，單(dan)位爲脈沖(chong)數/m3。

　　K除(chu)與旋(xuan)渦發(fa)生體、管道的幾(ji)何尺寸有關外(wai)，還與斯特(te)勞哈(ha)爾數有(you)關(guan)。斯特(te)勞哈(ha)爾數(shu)爲無(wu)量綱參數，它與旋渦發生體形(xing)狀及(ji)雷(lei)諾(nuo)數有(you)關，圖2爲(wei)圓(yuan)柱狀(zhuang)旋渦發生(sheng)體的斯特勞哈(ha)爾數(shu)與管道(dao)雷(lei)諾數(shu)的關系圖。由圖(tu)2可見(jian)，在ReD=2×104～7×106的(de)範圍内，Sr可(ke)視爲常數(shu)，這是(shi)儀表(biao)正常工作範圍。當測(ce)量氣體流(liu)量時，渦街(jie)流(liu)量計的(de)流量(liang)計(ji)算(suan)式爲(wei)：

　　式中(zhong)，qVn、qV分别爲标(biao)準狀(zhuang)态下（0℃或20℃，101.325kPa）和(he)工況(kuang)下的體積(ji)流量； Pn、P分别(bie)爲标(biao)準狀(zhuang)态(tai)下和工(gong)況下的絕(jue)對壓(ya)力；Tn、T分别爲标準(zhun)狀态下(xia)和(he)工況下的(de)熱力學溫(wen)度；Zn、Z分(fen)别爲标準(zhun)狀态下和工況(kuang)下氣(qi)體壓(ya)縮系數。

圖2  斯特勞哈(ha)爾數與雷諾數(shu)關系(xi)曲線(xian)

　　由式(shi)（4）可見，渦街(jie)流量(liang)計輸(shu)出(chu)的(de)脈沖(chong)頻率信(xin)号(hao)不受(shou)流體(ti)物(wu)性和組(zu)分變(bian)化的(de)影響，即儀(yi)表(biao)系數在(zai)一定雷(lei)諾數範(fan)圍内僅(jin)與(yu)旋渦(wo)發生(sheng)體及(ji)管道的形(xing)狀尺寸等(deng)有關。但(dan)是在物(wu)料平衡及(ji)能源(yuan)計量中(zhong)需(xu)檢測(ce)質量流量，這時(shi)流量計(ji)應同時(shi)監測(ce)體(ti)積(ji)流量(liang)和流體密(mi)度，流(liu)體物性和組分(fen)就會對流(liu)量計(ji)量産生(sheng)直接影(ying)響。

　　渦(wo)街流(liu)量計由傳(chuan)感(gan)器(qi)和轉(zhuan)換器兩部(bu)分組(zu)成，如(ru)圖(tu)3所示。傳(chuan)感器包括(kuo)旋渦(wo)發生體（阻(zu)流體(ti)）、檢測元(yuan)件(jian)、儀表(biao)表體(ti)等；轉換器(qi)包括(kuo)前置放大(da)器、濾波(bo)整(zheng)形電(dian)路、DAC、輸出接(jie)口電(dian)路、端子、支架和(he)防護罩(zhao)等(deng)。近年(nian)來智(zhi)能式(shi)流量(liang)計還(hai)把微處理(li)器、顯(xian)示通(tong)信及(ji)其他功(gong)能模塊(kuai)裝在(zai)轉換器内(nei)。

圖3  渦街流(liu)量計

在現(xian)場中的應(ying)用

1 現場應(ying)用

　　渦(wo)街流(liu)量(liang)計适用(yong)的流體廣泛，但(dan)不适用于低雷(lei)諾數（ReD≤2×104）流體(ti)。因爲(wei)在低(di)雷諾(nuo)數時(shi)，斯特(te)勞(lao)哈爾數(shu)随着(zhe)雷諾(nuo)數而(er)變，儀表(biao)線性度(du)變差。同時(shi)，含固(gu)體微粒的流體(ti)對旋(xuan)渦(wo)發(fa)生體(ti)的沖刷(shua)會(hui)産生(sheng)噪聲(sheng)，其含(han)有的(de)短纖維(wei)若纏繞在旋(xuan)渦(wo)發(fa)生體(ti)上将改變(bian)儀表系數(shu)。

渦街(jie)流量(liang)計在混相(xiang)流體(ti)中的(de)應用(yong)如下(xia)：

　　①可用于含分散、均勻(yun)的(de)微小氣(qi)泡，但容(rong)積(ji)含氣(qi)率應(ying)小(xiao)于7%～10%的氣(qi)、液兩相(xiang)流(liu)，若容積含(han)氣(qi)率超出(chu)2%就應對儀(yi)表系(xi)數進(jin)行修正。

　　②可(ke)用于含(han)分(fen)散、均(jun)勻的固體(ti)微粒(li)，含量(liang)不大(da)于2%的(de)氣固(gu)、液固兩相(xiang)流。

　　③可用于互不(bu)溶解(jie)的液液（如(ru)油和(he)水）兩組分(fen)流等。

　　脈動流和(he)旋轉流(liu)會(hui)對渦(wo)街流量(liang)計(ji)産生(sheng)嚴重影響。如果脈動頻率(lü)與渦(wo)街頻率頻帶合拍可(ke)能(neng)引(yin)起諧(xie)振，破壞(huai)正(zheng)常工(gong)作和(he)設備(bei)，使渦(wo)街信(xin)号産(chan)生“鎖(suo)定（Lock-in）”現(xian)象，這時信(xin)号會固(gu)定(ding)于某(mou)一頻(pin)率。“鎖(suo)定”與(yu)脈動(dong)幅值(zhi)、旋渦(wo)發生(sheng)體(ti)形狀及(ji)堵塞比(bi)等(deng)有關。

　　渦街(jie)流(liu)量計的(de)精度對于液體(ti)大緻(zhi)在±0.5%R～±2%R之間，對(dui)于氣(qi)體在(zai)±l%R～±2%R之間(jian)，重複(fu)性一(yi)般爲(wei)  0.2%～0.5%。由于渦街(jie)流量計的儀表系數(shu)較低(di)，頻率(lü)分辨(bian)率低(di)，口(kou)徑愈大(da)精度愈低(di)，故儀(yi)表口(kou)徑不宜過(guo)大（DN300以(yi)下(xia)）。

　　範(fan)圍度(du)寬是(shi)渦街(jie)流量(liang)計的特點(dian)，但重(zhong)要的一點是量(liang)程下限(xian)的(de)流量(liang)數值(zhi)。一般液體(ti)平均流速下限爲0.5m/s，氣(qi)體(ti)爲4～5m／s。渦街(jie)流量計(ji)的正常(chang)流量在正常測(ce)量範(fan)圍(wei)的(de)1/2～2/3處。

　　渦(wo)街流(liu)量計的優(you)點是儀表(biao)系數(shu)不受(shou)測量(liang)介質(zhi)物性的(de)影(ying)響，可以由(you)一種典型(xing)介質(zhi)推(tui)廣(guang)到其他介(jie)質(zhi)上。但由(you)于液、氣的(de)流速(su)範圍差别(bie)很大(da)，導緻頻率範圍亦差别(bie)很大。處(chu)理渦街(jie)信(xin)号的(de)放大器電路中(zhong)，濾波(bo)器的通帶不同(tong)，電(dian)路參數(shu)亦不(bu)同(tong)，因(yin)此，同一電(dian)路參數不(bu)能用于(yu)測量不(bu)同介質(zhi)。

　　另外，氣(qi)體和(he)液體(ti)的密(mi)度差别很大，而(er)旋渦分(fen)離時産(chan)生的信(xin)号強度(du)與密(mi)度成正比(bi)，因此(ci)信号(hao)強度(du)差别亦很(hen)大。液(ye)、氣放(fang)大(da)器(qi)電路(lu)的增益、觸(chu)發靈(ling)敏度(du)等皆(jie)不相(xiang)同，壓電電荷差(cha)别大(da)，電荷(he)放大(da)器的(de)參(can)數(shu)也不相同(tong)。即(ji)使同爲(wei)氣體(ti)（或液(ye)體、蒸(zheng)汽），随着(zhe)介(jie)質壓(ya)力、溫(wen)度(du)、密(mi)度不同，使用(yong)的(de)流量(liang)範圍不同(tong)，信号強度(du)亦(yi)不(bu)同，電(dian)路參數同(tong)樣要(yao)改變(bian)。因(yin)此(ci)，一台(tai)渦街(jie)流量計不(bu)經硬(ying)件或軟件(jian)修改，改變(bian)使用(yong)介質(zhi)或(huo)改變儀(yi)表口(kou)徑是不可(ke)行的(de)。

2 安(an)裝(zhuang)注意(yi)事項
　　渦街(jie)流量計屬(shu)于對管道(dao)流速(su)分布畸變(bian)、旋轉(zhuan)流和流動(dong)脈動等敏(min)感的流量(liang)計，因此，對(dui)現場(chang)管道安裝(zhuang)條件應(ying)充(chong)分重(zhong)視，嚴格遵(zun)照使用說(shuo)明書執行(hang)。
　　渦街流量計可(ke)安裝(zhuang)在室(shi)内或(huo)室外(wai)。如(ru)果安裝(zhuang)在地(di)井(jing)裏，爲防(fang)止被(bei)水(shui)淹(yan)沒，應(ying)選用(yong)涎水型傳(chuan)感器(qi)。傳感(gan)器在(zai)管道(dao)上(shang)可以水(shui)平、垂直(zhi)或(huo)傾斜(xie)安裝，但(dan)測(ce)量液(ye)體和氣體(ti)時爲(wei)防止(zhi)氣泡(pao)和液(ye)滴的(de)幹擾(rao)，要注(zhu)意安(an)裝位置（見(jian)圖4）。

圖4  測量含液體和(he)含(han)氣液體(ti)的流(liu)量儀(yi)表安(an)裝
渦(wo)街流量計(ji)必須保證(zheng)上、下(xia)遊直管(guan)段有必(bi)要的長度(du)（見圖5）。

圖5  渦(wo)街(jie)流量計(ji)對上、下遊直管(guan)段長(zhang)度(du)的(de)要求(qiu)

　　在圖(tu)5中(zhong)，a爲一個90°彎頭(tou)，b 爲同心擴(kuo)管，c爲同心收縮(suo)全開(kai)閥門，d爲不(bu)同平面(mian)兩(liang)個90°彎頭，e爲(wei)調(diao)節(jie)閥半(ban)開閥門(men)，f爲(wei)同一平面(mian)兩(liang)個90°彎頭(tou)。

傳感(gan)器與(yu)管道的連接(jie)如圖6所(suo)示，在(zai)與(yu)管(guan)道連接時要注意以(yi)下問題。

圖(tu)6  傳感器與(yu)管道的連(lian)接

　　① 上、下遊配管内徑D與傳感器(qi)内徑(jing)D’相(xiang)同(tong)，其差(cha)異滿足(zu)下(xia)述條(tiao)件：    0.95D≤D’≤1.1D；

　　② 配管應與傳感器(qi)同心(xin)，同軸(zhou)度應小于(yu)0.05D’；

　　③ 密封(feng)墊不(bu)能凸入管(guan)道内(nei)，其(qi)内(nei)徑可(ke)比傳(chuan)感器内徑(jing)大1～2mm；

　　④ 如需斷(duan)流檢查與(yu)清(qing)洗(xi)傳感(gan)器，應設(she)置旁通管道(dao)（見圖7）；

圖7  旁(pang)通管道示(shi)意圖(tu)

　　⑤ 減小(xiao)振動(dong)對渦(wo)街流量計的影響應(ying)該作爲渦(wo)街流量(liang)計(ji)現場(chang)安裝(zhuang)的一個突(tu)出問題(ti)來關注(zhu)。首先(xian)，在選擇傳(chuan)感器安(an)裝場所(suo)時盡(jin)量注意避(bi)開振動源(yuan)；其次(ci)，采用(yong)彈(dan)性(xing)軟管(guan)連接(jie)在小(xiao)口徑中可(ke)以考慮；第(di)三，加(jia)裝管(guan)道支撐物(wu)是有效的(de)減振方法。

　　電氣(qi)安裝應注意傳(chuan)感器與轉(zhuan)換器(qi)之間采用屏蔽(bi)電纜或(huo)低噪聲電纜(lan)連接，其距(ju)離不(bu)應(ying)超(chao)過使用說(shuo)明(ming)書的規(gui)定。布線時(shi)應遠離強(qiang)功率(lü)電源(yuan)線，盡(jin)量(liang)用單獨(du)金屬套(tao)管保護(hu)。應遵(zun)循“一(yi)點接(jie)地”原則(ze)，接(jie)地電(dian)阻應小(xiao)于(yu)10Ω。整體(ti)型和分(fen)離(li)型都(dou)應在傳感器側(ce)接地(di)，轉換器外(wai)殼接地點應與(yu)傳感(gan)器(qi)“同地”。

3 現(xian)場常(chang)見故障現(xian)象、原(yuan)因及排除(chu)方法
渦街(jie)流量計有多(duo)種(zhong)檢測(ce)方式(shi)，傳感(gan)器和測量電(dian)路(lu)差别(bie)也較大，但渦街(jie)流量(liang)計(ji)常見的(de)故障有共(gong)性。
結(jie)語

　　在(zai)衆多(duo)的流(liu)量計(ji)中，渦(wo)街流(liu)量計(ji)的購置費(fei)低于質量(liang)式、電磁式(shi)、容積(ji)式等(deng)類型，而(er)安(an)裝、運(yun)行、維護(hu)費(fei)低于(yu)節流式、容積式(shi)、渦輪(lun)式(shi)等類型(xing)，是一種經(jing)濟性(xing)較好(hao)、比(bi)較實用(yong)的流量(liang)計(ji)。渦街(jie)流量(liang)計結構簡(jian)單牢固，安(an)裝維(wei)護方(fang)便，尤其适(shi)用于(yu)冶煉廠、化工廠、輸油(you)管道(dao)等工(gong)業現場的使用(yong)。