渦街流量計的設計及其應用

發布時間： 2011-04-21　　點擊次數： 3242次

1 渦街流量計及其優點　　1878年斯特勞哈爾（Strouhal）發表了關于流體振動頻率與流速關系的論文，斯特勞哈爾數即表示旋渦頻率與阻流體特征尺寸、流速關系的相似準則。人們早期對渦街的研究主要用于防災，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生共振而對設備之破壞。渦街流體振動現象用于測...

　　1 渦街流量計及其優點

　　1878年斯特勞哈爾（Strouhal）發表了關于流體振動頻率與流速關系的論文，斯特勞哈爾數即表示旋渦頻率與阻流體特征尺寸、流速關系的相似準則。人們早期對渦街的研究主要用于防災，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生共振而對設備之破壞。渦街流體振動現象用于測量的研究始于20世紀50年代，如風速計和船速計等。60年代末開始研制封閉管道流量計——渦街流量計，誕生了熱絲檢測法及熱敏檢測法渦街流量計。20世紀70、80年代渦街流量計發展異常迅速，開發出眾多類型阻流體及檢測法的渦街流量計，并大量生產投放市場。

　　中國渦街流量計生產發展迅速，全國有數十家生產廠，但無論是渦街流量計的理論研究還是實踐經驗均顯不足。迄今zui基本的流量方程仍經常引用卡曼渦街理論，而此理論及其一些定量關系是卡曼在氣體風洞（均勻流場）中實驗得出的，它與封閉管道中具有三維不均勻流場其旋渦分離的規律不盡相同。目前渦街流量計廣泛應用于輸油管道、天然氣管道、冶煉廠、水管道等復雜的工業現場。

　　渦街流量計是在流體中安放一根非流線型阻流體，流體在阻流體兩側交替地分離釋放出兩串規則的旋渦，在一定的流量范圍內，旋渦分離頻率正比于管道內的平均流速，通過采用各種形式的檢測元件測出旋渦頻率，即可推算出流體的流量。在特定的流動條件下，一部分流體動能轉化為流體振動，其振動頻率與流速（流量）有確定的比例關系，根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優點[1]。

　　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、壓力及溫度的影響；
　　② 測量范圍寬，一般達10:1以上；
　　③ 度為中上水平；
　　④ 無運動部件，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，可適用于液體、氣體和蒸氣。

　　2 渦街流量計的工作原理

　　在流體中設置旋渦發生體（阻流體），從旋渦發生體兩側交替地產生有規則的旋渦，這種旋渦稱為卡曼渦街（見圖1），旋渦列在旋渦發生體下游非對稱地排列。根據卡曼渦街原理，有如下關系式[2]：

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

　　管道內體積流量qv為：

　　式中K-流量計的儀表系數，脈沖數/m3即：P/m3。

　　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，它與旋渦發生體的形狀及雷諾數有關，圖2所示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范圍內，斯特勞哈爾數可視為常數，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-分別為標準狀態下（0℃或20℃ ，101.325kPa）和工況下的體積流量，m3/h；pn，p-分別為標準狀態下和工況下的壓力，Pa；Tn，T-分別為標準狀態下和工況下的熱力學溫度，K；Zn，Z-分別為標準狀態下和工況下氣體壓縮系數。

　　由式（5）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。但是作為流量計，在物料平衡及能源計量中需檢測質量流量，這時流量計的輸出信號應同時監測體積流量和流體密度，流體物性和組分對流量計量有直接影響。

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

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

　　① 能夠控制旋渦在旋渦發生體軸線方向上的同步分離；
　　② 在較寬的雷諾數范圍內，有穩定的旋渦分離點，保持恒定的斯特勞哈爾數；
　　③ 能夠產生強烈的渦街，信號的信噪比高；
　　④ 形狀和結構簡單，便于加工和幾何參數標準化以及各種檢測元件的安裝和組合；
　　⑤ 材質應滿足流體性質的要求，耐腐蝕，耐磨蝕，耐溫度變化；
　　⑥ 固有頻率在渦街信號的頻帶外。

　　目前，國內外已經開發出形狀繁多的旋渦發生體，可以分為單旋渦發生體和多旋渦發生體兩類（見圖4）。單旋渦發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。其中應用zui廣泛的是三角柱形旋渦發生體（見圖5）[3]。為了提高渦街強度和穩定性，可采用多旋渦發生體，但其應用并不普遍。

　　3 渦街流量計在現場的應用

　　3.1 現場應用

　　渦街流量計適用的流體比較廣泛，但不適用于測量低雷諾數（ReD≤2×104）流體。低雷諾數時，斯特勞哈爾數隨著雷諾數而變，儀表線性度變差，流體粘度高，顯著影響甚至阻礙旋渦的產生，同時對于流體的臟污性質有要求。含固體微粒的流體對旋渦發生體的沖刷會產生噪聲，對旋渦發生體產生磨損。若含有的短纖維纏繞在旋渦發生體上，將改變儀表系數。渦街流量計在混相流體中的應用如下：

　　① 可以用于含分散、均勻的微小氣泡，但容積含氣率應小于7%~10%的氣、液兩相流，若容積含氣率超出2%，應對儀表系數進行修正。
　　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。

　　脈動流和旋轉流將對渦街流量計產生嚴重影響。如果脈動頻率與渦街頻率吻合，將可能引起諧振，破壞正常工作和設備，使渦街信號產生“鎖定（1ock-in）”現象，這時信號固定于某一頻率。“鎖定”與脈動幅值、旋渦發生體形狀及堵塞比等有關。

　　渦街流量計的度對于液體大致為士（0.5%~±2%）R，對于氣體為士（1%~±2%）R，重復性一般為0.2%~0.5%。由于渦街流量計的儀表系數較低，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[4]）。

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

　　渦街流量計的zui大優點是儀表系數不受測量介質物性的影響，可以用一種典型的介質進行校驗而應用于其他介質，為解決校驗設備問題提供了便利。但由于液、氣的流速范圍差別很大，導致頻率范圍差別亦很大。在處理渦街信號的放大器電路中，濾波器的通帶不同，電路參數亦不同，因此，同一電路參數不能用于測量不同的介質。介質改變后，電路參數亦應隨之改變。

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

　　渦街流量計在水處理、輸油管道等工業現場的應用十分廣泛。例如：北京東方化工廠在公用工程系統中使用了22臺LUGB型渦街流量計以及配套的KSJ型流量積算儀，包括水處理和水二次循環，水處理主要為開工鍋爐提供脫鹽水，為乙烯和環氧乙烷提供精制水，為水二次循環提供軟化脫堿水；水二次循環主要為乙烯、環氧乙烷、開工鍋爐和水站提供循環冷卻水。在該項工程中，渦街流量計接受流量積算儀的12VDC供電，采用壓電晶體元件檢測旋渦分離頻率。安裝在柱體內部的探頭體感受旋渦在柱體后部兩側產生的壓力脈沖，埋設在探頭體內部的壓電晶體元件感受到這一應變力的作用，產生交變電荷，經傳感器處理后，輸出一定幅度的脈沖信號給二次儀表。脈沖信號與流經管道的流量成比例，比例關系由渦街流量計的儀表系數決定，儀表系數一般由廠家標定。

　　流量積算儀是以MCS51系列單片機8031為主體的流量顯示儀表，在接受到這一脈沖信號后，一方面由指針式電流表顯示瞬時流量，且由8位數碼顯示累計流量或累計時間，另一方面可以輸出4~20mA或0~10mA的信號供調節器或記錄儀使用。流量積算儀根據渦街流量計的儀表系數及流量量程進行參數設定。

　　3.2 安裝注意事項

　　渦街流量計屬于對管道流速分布畸變、旋轉流和流動脈動等敏感的流量計，因此，應充分重視現場管道的安裝條件，嚴格遵照使用說明書。

　　渦街流量計可以安裝在室內或室外。如果安裝在地井，為了防止被水淹沒，應選用涎水型傳感器。傳感器在管道上可以水平、垂直或傾斜安裝，但測量液體和氣體時，為了防止氣泡和液滴的干擾，安裝位置需注意（見圖6）。

　　渦街流量計必須保證上、下游直管段有必要的長度（見圖7）。

　　傳感器與管道的連接見圖8。在與管道連接時，要注意以下問題。

　　①上、下游配管內徑D與傳感器內徑D′相同，其差異滿足下述條件：0.95D≤D′≤1.1D。
　　②配管應與傳感器同心，同軸度小于0.05D′。
　　③密封墊不能凸人管道內，其內徑可比傳感器內徑大1~2mm。
　　④如需斷流檢查或清洗傳感器，應設置旁通管道（見圖9）[6]。

　　⑤現場安裝時減小振動對渦街流量計的影響值得關注。應盡量避開振動源，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，流動調整器是保證獲得高度測量的措施，在制造廠進行裝配則更能保證安裝質量。圖11為一安裝實例。

　　電氣安裝應注意，在傳感器與轉換器之間采用蔽電纜或低噪聲電纜連接，距離不應超過使用說明書的規定。布線時應遠離強功率電源線，盡量采用單獨金屬套管保護。應遵循“一點接地”原則，接地電阻小于10Ω。整體型和分離型均應在傳感器側接地，轉換器外殼接地點應與傳感器“同地”。

　　3.3 現場常見故障、原因及排除方法

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

表1 渦街流量計故障及其處理方法

故障現象	可能原因	處理方法
通電后無流量時有輸出信號	①輸入屏蔽或接地不良，引入電磁干擾 ②儀表靠近強電設備或高頻脈沖干擾源 ③管道有較強振動 ④轉換器靈敏度過高	①改善屏蔽與接地，排除電磁干擾 ②遠離干擾源安裝，采用隔離措施加強電磁濾波 ③采取減震措施，加強信號濾波，降低放大器靈敏度 ④降低靈敏度，提高觸發電平
通電通流后無輸出信號	①電源出現故障 ②輸入信號線斷線 ③放大器某級有故障 ④檢測元件損壞 ⑤無流量或流量過小 ⑥管道堵賽或傳感器被卡死	①檢測電源與接觸 ②檢查信號線與接線端子 ③檢測工作點，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
輸出信號不規則不穩定	①有較強電干擾信號 ②傳感器被沾污或受損，靈敏度降低 ③傳感器靈敏度過高 ④傳感器受損或引線接觸不良 ⑤出現兩相流或脈動流 ⑥管道震動的影響 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 ⑨上、下游閥門擾動 ⑩液體未充滿管道	①加強屏蔽和接觸 ②清洗或更換傳感器，提高放大器增益 ③降低增益，提高觸發電平 ④檢查傳感器及引線 ⑤加強工藝流程，消除兩相流或脈動流現象 ⑥采取減震措施 ⑦調整安裝位置 ⑧檢查安裝情況，改正密封墊內徑 ⑨加長直管段或加裝流動調整器 ⑩更換安裝流量傳感器地點和方式
測量信號誤差大	①直管段長度不足 ②模擬轉換電路零漂或滿量程調整不對 ③供電電壓變化過大 ④儀表超過檢定周期 ⑤傳感器與配管內徑差異較大 ⑥安裝不同心或密封墊凸入管內 ⑦傳感器沾污或損傷 ⑧有兩相流或脈動流 ⑨管道泄漏	①加長直管段或加裝流動調整器 ②校正零點和量程刻度 ③檢查電源 ④及時送檢 ⑤檢查配管內徑，修正儀表系數 ⑥調整安裝，修整密封墊 ⑦清洗更換傳感器 ⑧排除兩相流或脈動流 ⑨排除泄漏
測量管泄漏	①管內壓力過高 ②公稱壓力選擇不對 ③密封件損壞 ④傳感器被腐蝕	①調整管壓，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采取防腐蝕和保護夜流壓力
傳感器發出異常嘯叫聲	①流速過高，引起強烈顫動 ②產生氣穴現象 ③發生體松動	①調整流量或更換通徑大的儀表 ②調整流量和增加液流壓力 ③緊固發生體

　　4 結束語

　　中國在20世紀80年代即制訂了渦街流量計專業標準（ZBN 12008-1989）和檢測規程（JJG 620-1989），在眾多的流量計中，渦街流量計的購置費低于質量式、電磁式、容積式等，安裝、運行、維護費低于節流式、容積式、渦輪式等，是一種經濟性較好、較實用的流量計。渦街流量計結構簡單牢固，安裝維護方便，尤其適用于冶煉廠、化工廠、輸油管道等工業現場的使用。

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