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渦街流量計的現場應用

    渦街流量計在指定的流動條件下，一部分流體動能會轉化為流體振動，其振動頻率與流速（流量）有確定的比例關系，依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特點：
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、溫度的影響；
②測量范圍寬，一般范圍度可達10：1以上；
③精度為中上水平；
④無可動部件，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，可適用液體、氣體和蒸汽。　　
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：

　　式中，m為旋渦發生體兩側弓形面積與管道橫截面面積之比；D為表體通徑；d為旋渦發生體迎面寬度；f為旋渦的發生頻率；U1為旋渦發生體兩側平均流速；Sr為斯特勞哈爾數；U為被測介質流的平均速度。

圖1  卡曼渦街

管道內體積流量qv為：

式中， K為流量計的儀表系數，單位為脈沖數/m3。

　　K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，它與旋渦發生體形狀及雷諾數有關，圖2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的范圍內，Sr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； Pn、P分別為標準狀態下和工況下的絕對壓力；Tn、T分別為標準狀態下和工況下的熱力學溫度；Zn、Z分別為標準狀態下和工況下氣體壓縮系數。

圖2  斯特勞哈爾數與雷諾數關系曲線

　　由式（4）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。但是在物料平衡及能源計量中需檢測質量流量，這時流量計應同時監測體積流量和流體密度，流體物性和組分就會對流量計量產生直接影響。

　　渦街流量計由傳感器和轉換器兩部分組成，如圖3所示。傳感器包括旋渦發生體（阻流體）、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、DAC、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、顯示通信及其他功能模塊裝在轉換器內。

圖3  渦街流量計

在現場中的應用

1 現場應用

　　渦街流量計適用的流體廣泛，但不適用于低雷諾數（ReD≤2×104）流體。因為在低雷諾數時，斯特勞哈爾數隨著雷諾數而變，儀表線性度變差。同時，含固體微粒的流體對旋渦發生體的沖刷會產生噪聲，其含有的短纖維若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%就應對儀表系數進行修正。

　　②可用于含分散、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。

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

　　渦街流量計的精度對于液體大致在±0.5%R～±2%R之間，對于氣體在±l%R～±2%R之間，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）。

　　范圍度寬是渦街流量計的特點，但重要的一點是量程下限的流量數值。一般液體平均流速下限為0.5m/s，氣體為4～5m／s。渦街流量計的正常流量在正常測量范圍的1/2～2/3處。

　　渦街流量計的優點是儀表系數不受測量介質物性的影響，可以由一種典型介質推廣到其他介質上。但由于液、氣的流速范圍差別很大，導致頻率范圍亦差別很大。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介質。

　　另外，氣體和液體的密度差別很大，而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相同。即使同為氣體（或液體、蒸汽），隨著介質壓力、溫度、密度不同，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，改變使用介質或改變儀表口徑是不可行的。

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，對現場管道安裝條件應充分重視，嚴格遵照使用說明書執行。
　　渦街流量計可安裝在室內或室外。如果安裝在地井里，為防止被水淹沒，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防止氣泡和液滴的干擾，要注意安裝位置（見圖4）。

圖4  測量含液體和含氣液體的流量儀表安裝
渦街流量計必須保證上、下游直管段有必要的長度（見圖5）。

圖5  渦街流量計對上、下游直管段長度的要求

　　在圖5中，a為一個90°彎頭，b 為同心擴管，c為同心收縮全開閥門，d為不同平面兩個90°彎頭，e為調節閥半開閥門，f為同一平面兩個90°彎頭。

傳感器與管道的連接如圖6所示，在與管道連接時要注意以下問題。

圖6  傳感器與管道的連接

　　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，同軸度應小于0.05D’；

　　③ 密封墊不能凸入管道內，其內徑可比傳感器內徑大1～2mm；

　　④ 如需斷流檢查與清洗傳感器，應設置旁通管道（見圖7）；

圖7  旁通管道示意圖

　　⑤ 減小振動對渦街流量計的影響應該作為渦街流量計現場安裝的一個突出問題來關注。首先，在選擇傳感器安裝場所時盡量注意避開振動源；其次，采用彈性軟管連接在小口徑中可以考慮；第三，加裝管道支撐物是有效的減振方法。

　　電氣安裝應注意傳感器與轉換器之間采用屏蔽電纜或低噪聲電纜連接，其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，盡量用單獨金屬套管保護。應遵循“一點接地”原則，接地電阻應小于10Ω。整體型和分離型都應在傳感器側接地，轉換器外殼接地點應與傳感器“同地”。

3 現場常見故障現象、原因及排除方法
渦街流量計有多種檢測方式，傳感器和測量電路差別也較大，但渦街流量計常見的故障有共性。
結語

　　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、容積式等類型，而安裝、運行、維護費低于節流式、容積式、渦輪式等類型，是一種經濟性較好、比較實用的流量計。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。