摘 要:近年來,渦街流量計被廣泛地應用于石油、化工、輕工、冶金和電力企業中,用于測量液體、氣體、蒸汽、低溫和各種腐蝕性介質。有很多的資料對渦街流量計的誤差進行分析,但很少有涉及到溫度對其準確度的影響。通過對渦街流量計的結構和原理介紹,經過分析,推導出了渦街流量計儀表系數受溫度的影響,及其實際溫度下的修正公式。
流量計出廠校驗及其檢定工作是在實驗室參考條件下進行的,但一般來說現場使用條件都與實驗室的參考條件有很大的偏離,這些工作條件的偏離到底會帶來大多的附加誤差至今在標準及生產廠家資料中尚不明確。本文結合渦街流量計的實際應用情況,為了使檢定和計量工作更科學,就溫度對渦街流量計儀表系數的影響進行探討。
1 渦街流量計工作原理
在流體中設置漩渦發生體(阻流體),從漩渦發生體兩側交替產生有規則的漩渦,這種漩渦成為卡曼渦街,如圖1所示。
漩渦列在漩渦發生體下游非對稱地排列。設漩渦的發生頻率為f,則被測介質流的平均速度為U,漩渦發生體迎面寬度為d,表體通徑為D。根據卡曼渦街原理,有如下關系式:
f=SrU1/d=SrU/md?????????? ?(1)
式中:U1———漩渦發生體兩側平均流速,m/s;
Sr———斯特勞哈爾數;
m———漩渦發生體兩側弓形面積與管道橫截
式中:K———流量計的儀表系數,脈沖數/m 3。
K除了與漩渦發生體、管道的幾何尺寸有關外,還與斯特勞哈爾數有關。圖2所示為圓柱狀漩渦發生體的斯特勞哈爾數與管道雷諾數的關系。
由圖2可見,在ReD= 2× 104～ 7× 106范圍內,Sr可視為常數,這也是儀表正常工作的范圍。
由以上推理可見,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漩渦發生體及管道的形狀尺寸等有關。
2 結構
渦街流量計由傳感器和轉換器兩部分組成,傳感器包括漩渦發生體、檢測元件、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還把微處理器、顯示通訊及其他功能模塊也裝在轉換器內。
漩渦發生體是檢測器的主要部件,它與儀表的流量特性密切相關,本文主要討論溫度的變化對它尺寸的影響。當然生產廠家為了避免由渦街發生體帶入的誤差,對渦街發生體提出了很高的要求,如:能產生強烈的渦街,信號的信噪比高;形狀和結構簡單,便于加工和提高其尺寸的精度,以及各種檢測元件的安裝和組合;材質應滿足流體性質的要求,耐腐蝕,耐磨蝕,耐溫度變化等。當然其他的部件如檢測元件、D/A轉換電路等也會影響渦街流量計的精度,但這種影響可以在軟件中補償或者是目前的技術局限。有關此方面的論文很多,在此不再贅述。本文著重討論的是有溫度的變化影響漩渦發生體尺寸的變化和表體內徑的變化,以及由此帶來的誤差。
3 誤差分析
由(7)式可知,這是K在標準狀況下的表達式,在工作條件下,由于溫度發生了變化,由此引起K的表達式的變化。
將(7)是變形得:
如果對(9)式求D和d的偏導數得到的數學表達式是相當復雜的,這里復雜的原因是由于m的表達式過于復雜。在求m的表達式時,用了精確的計算方法,如圖3所示。將漩渦發生體看作是兩個扇形(扇形OEF和扇形OHG)和兩個三角形(△EOH和△FOG)的面積之和。
為了簡化計算,在這里做個近似:把漩渦發生體看作是個矩形ABCD,由圖知道寬為d,長為D,所以漩渦發生體的面積:S體=d·D??????? (11)
由于把漩渦發生體看作為是個矩形(寬為d,長為D),其面積比實際要大,m則比事件要小,所以要對m進行修正,經查閱有關資料,發現大多數的資料都把4π修正為1.25,代入(12)式,得到:
可見,當使用溫度和檢定溫度相差較大時,溫度對儀表系數的影響是比較明顯的,應該加以考慮。
4 結束語
渦街流量計目前在國內應用越來越廣泛,但其使用介質的溫度差別很大,如有的測量原油,有的測量蒸汽以及過熱蒸汽等,有的使用在低溫環境,有的使用在高溫環境,如果在應用過程中忽略的溫度對儀表系數的影響,會產生很大的計量誤差,在實際工作中不應該忽略這個因素影響,在使用中應該使用以上推導公式進行修正。
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