渦街流量計(jì)的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用

    1878年斯特勞哈爾（Strouhal）發(fā)表了關(guān)于流體振動(dòng)頻率與流速關(guān)系的論文，斯特勞哈爾數(shù)即表示旋渦頻率與阻流體特征尺寸、流速關(guān)系的相似準(zhǔn)則。人們?cè)缙趯?duì)渦街的研究主要用于防災(zāi)，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(chǎn)生共振而對(duì)設(shè)備之破壞。渦街流體振動(dòng)現(xiàn)象用于測(cè)量的研究始于20世紀(jì)50年代，如風(fēng)速計(jì)和船速計(jì)等。60年代末開始研制封閉管道流量計(jì)——渦街流量計(jì)，誕生了熱絲檢測(cè)法及熱敏檢測(cè)法渦街流量計(jì)。20世紀(jì)70、80年代渦街流量計(jì)發(fā)展異常迅速，開發(fā)出眾多類型阻流體及檢測(cè)法的渦街流量計(jì)，并大量生產(chǎn)投放市場(chǎng)。

    我國(guó)渦街流量計(jì)生產(chǎn)發(fā)展迅速，全國(guó)有數(shù)十家生產(chǎn)廠，但無論是渦街流量計(jì)的理論研究還是實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)均顯不足。迄今最基本的流量方程仍經(jīng)常引用卡曼渦街理論，而此理論及其一些定量關(guān)系是卡曼在氣體風(fēng)洞（均勻流場(chǎng)）中實(shí)驗(yàn)得出的，它與封閉管道中具有三維不均勻流場(chǎng)其旋渦分離的規(guī)律不盡相同。目前渦街流量計(jì)廣泛應(yīng)用于輸油管道、天然氣管道、冶煉廠、水管道等復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。

    渦街流量計(jì)是在流體中安放一根非流線型阻流體，流體在阻流體兩側(cè)交替地分離釋放出兩串規(guī)則的旋渦，在一定的流量范圍內(nèi)，旋渦分離頻率正比于管道內(nèi)的平均流速，通過采用各種形式的檢測(cè)元件測(cè)出旋渦頻率，即可推算出流體的流量。在特定的流動(dòng)條件下，一部分流體動(dòng)能轉(zhuǎn)化為流體振動(dòng)，其振動(dòng)頻率與流速（流量）有確定的比例關(guān)系，依據(jù)這種原理工作的流量計(jì)稱為流體振動(dòng)流量計(jì)。目前流體振動(dòng)流量計(jì)有三類：渦街流量計(jì)、旋進(jìn)（旋渦進(jìn)動(dòng)）流量計(jì)和射流流量計(jì)。渦街流量計(jì)具有以下一些特點(diǎn)^[1]。

    ①輸出為脈沖頻率，其頻率與被測(cè)流體的實(shí)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(cè)量范圍寬，一般達(dá)10:1以上；
    ③ 精確度為中上水平；
    ④ 無運(yùn)動(dòng)部件，可靠性高；
    ⑤ 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固，安裝方便，維護(hù)費(fèi)較低；
    ⑥ 應(yīng)用范圍廣泛，可適用于液體、氣體和蒸氣。

    2 渦街流量計(jì)的工作原理

    在流體中設(shè)置旋渦發(fā)生體（阻流體），從旋渦發(fā)生體兩側(cè)交替地產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦，這種旋渦稱為卡曼渦街（見圖1），旋渦列在旋渦發(fā)生體下游非對(duì)稱地排列。根據(jù)卡曼渦街原理，有如下關(guān)系式[2]：

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

    管道內(nèi)體積流量qv為：

    式中K-流量計(jì)的儀表系數(shù)，脈沖數(shù)/m³即：P/m³。

    除與旋渦發(fā)生體、管道的幾何尺寸有關(guān)外，還與斯特勞哈爾數(shù)有關(guān)。斯特勞哈爾數(shù)為無量綱參數(shù)，它與旋渦發(fā)生體的形狀及雷諾數(shù)有關(guān)，圖2所示為圓柱狀旋渦發(fā)生體的斯特勞哈爾數(shù)與管道雷諾數(shù)的關(guān)系圖。由圖2可見，在Re_D=2×10⁴~7×10⁶范圍內(nèi)，斯特勞哈爾數(shù)可視為常數(shù)，這是儀表正常工作范圍。當(dāng)測(cè)量氣體流量時(shí)，渦街流量計(jì)的流量計(jì)算式為：

    式中qv_n，qv-分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（0℃或20℃ ，101.325kPa）和工況下的體積流量，m³/h；p_n，p-分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下和工況下的絕對(duì)壓力，Pa；T_n，T-分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下和工況下的熱力學(xué)溫度，K；Z_n，Z-分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下和工況下氣體壓縮系數(shù)。

   由式（5）可見，渦街流量計(jì)輸出的脈沖頻率信號(hào)不受流體物性和組分變化的影響，即儀表系數(shù)在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)僅與旋渦發(fā)生體及管道的形狀尺寸等有關(guān)。但是作為流量計(jì)，在物料平衡及能源計(jì)量中需檢測(cè)質(zhì)量流量，這時(shí)流量計(jì)的輸出信號(hào)應(yīng)同時(shí)監(jiān)測(cè)體積流量和流體密度，流體物性和組分對(duì)流量計(jì)量有直接影響。

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

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

    ① 能夠控制旋渦在旋渦發(fā)生體軸線方向上的同步分離；
    ② 在較寬的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，有穩(wěn)定的旋渦分離點(diǎn)，保持恒定的斯特勞哈爾數(shù)；
    ③ 能夠產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦街，信號(hào)的信噪比高；
    ④ 形狀和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于加工和幾何參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化以及各種檢測(cè)元件的安裝和組合；
    ⑤ 材質(zhì)應(yīng)滿足流體性質(zhì)的要求，耐腐蝕，耐磨蝕，耐溫度變化；
    ⑥ 固有頻率在渦街信號(hào)的頻帶外。

    目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)出形狀繁多的旋渦發(fā)生體，可以分為單旋渦發(fā)生體和多旋渦發(fā)生體兩類（見圖4）。單旋渦發(fā)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(yīng)用最廣泛的是三角柱形旋渦發(fā)生體（見圖5）^[3]。為了提高渦街強(qiáng)度和穩(wěn)定性，可采用多旋渦發(fā)生體，但其應(yīng)用并不普遍。

    3 渦街流量計(jì)在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用

    3.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

    渦街流量計(jì)適用的流體比較廣泛，但不適用于測(cè)量低雷諾數(shù)（Re_D≤2×10⁴）流體。低雷諾數(shù)時(shí)，斯特勞哈爾數(shù)隨著雷諾數(shù)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(chǎn)生，同時(shí)對(duì)于流體的臟污性質(zhì)有要求。含固體微粒的流體對(duì)旋渦發(fā)生體的沖刷會(huì)產(chǎn)生噪聲，對(duì)旋渦發(fā)生體產(chǎn)生磨損。若含有的短纖維纏繞在旋渦發(fā)生體上，將改變儀表系數(shù)。渦街流量計(jì)在混相流體中的應(yīng)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(yīng)小于7%~10%的氣、液兩相流，若容積含氣率超出2%，應(yīng)對(duì)儀表系數(shù)進(jìn)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(dòng)流和旋轉(zhuǎn)流將對(duì)渦街流量計(jì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。如果脈動(dòng)頻率與渦街頻率吻合，將可能引起諧振，破壞正常工作和設(shè)備，使渦街信號(hào)產(chǎn)生“鎖定（1ock-in）”現(xiàn)象，這時(shí)信號(hào)固定于某一頻率?！版i定”與脈動(dòng)幅值、旋渦發(fā)生體形狀及堵塞比等有關(guān)。

  
  渦街流量計(jì)的精確度對(duì)于液體大致為士（0.5%~±2%）R，對(duì)于氣體為士（1%~±2%）R，重復(fù)性一般為0.2%~0.5%。由于渦街流量計(jì)的儀表系數(shù)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(jì)的特點(diǎn)，量程下限的流量數(shù)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(jì)的正常流量最好在正常測(cè)量范圍的1/2~2/3處。

    渦街流量計(jì)的最大優(yōu)點(diǎn)是儀表系數(shù)不受測(cè)量介質(zhì)物性的影響，可以用一種典型的介質(zhì)進(jìn)行校驗(yàn)而應(yīng)用于其他介質(zhì)，為解決校驗(yàn)設(shè)備問題提供了便利。但由于液、氣的流速范圍差別很大，導(dǎo)致頻率范圍差別亦很大。在處理渦街信號(hào)的放大器電路中，濾波器的通帶不同，電路參數(shù)亦不同，因此，同一電路參數(shù)不能用于測(cè)量不同的介質(zhì)。介質(zhì)改變后，電路參數(shù)亦應(yīng)隨之改變。

    另外，氣體和液體的密度差別很大，旋渦分離時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)度與密度成正比。因此信號(hào)強(qiáng)度差別亦很大，液、氣放大器電路的增益、觸發(fā)靈敏度等皆不相同，壓電電荷差別大，電荷放大器的參數(shù)也不同。即使同為氣體（或液體、蒸汽等），隨著介質(zhì)壓力、溫度或密度的不同，使用的流量范圍不同，信號(hào)強(qiáng)度亦不同，電路參數(shù)同樣要改變。因此一臺(tái)渦街流量計(jì)不經(jīng)硬件或軟件修改，僅改變使用介質(zhì)或儀表口徑是不可行的。

    渦街流量計(jì)在水處理、輸油管道等工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用十分廣泛。例如：北京東方化工廠在公用工程系統(tǒng)中使用了22臺(tái)LUGB型渦街流量計(jì)以及配套的KSJ型流量積算儀，包括水處理和水二次循環(huán)，水處理主要為開工鍋爐提供脫鹽水，為乙烯和環(huán)氧乙烷提供精制水，為水二次循環(huán)提供軟化脫堿水；水二次循環(huán)主要為乙烯、環(huán)氧乙烷、開工鍋爐和水站提供循環(huán)冷卻水。在該項(xiàng)工程中，渦街流量計(jì)接受流量積算儀的12VDC供電，采用壓電晶體元件檢測(cè)旋渦分離頻率。安裝在柱體內(nèi)部的探頭體感受旋渦在柱體后部?jī)蓚?cè)產(chǎn)生的壓力脈沖，埋設(shè)在探頭體內(nèi)部的壓電晶體元件感受到這一應(yīng)變力的作用，產(chǎn)生交變電荷，經(jīng)傳感器處理后，輸出一定幅度的脈沖信號(hào)給二次儀表。脈沖信號(hào)與流經(jīng)管道的流量成比例，比例關(guān)系由渦街流量計(jì)的儀表系數(shù)決定，儀表系數(shù)一般由廠家標(biāo)定。

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    流量積算儀是以MCS51系列單片機(jī)8031為主體的流量顯示儀表，在接受到這一脈沖信號(hào)后，一方面由指針式電流表顯示瞬時(shí)流量，且由8位數(shù)碼顯示累計(jì)流量或累計(jì)時(shí)間，另一方面可以輸出4~20mA或0~10mA的信號(hào)供調(diào)節(jié)器或記錄儀使用。流量積算儀依據(jù)渦街流量計(jì)的儀表系數(shù)及流量量程進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。

    3.2 安裝注意事項(xiàng)

    渦街流量計(jì)屬于對(duì)管道流速分布畸變、旋轉(zhuǎn)流和流動(dòng)脈動(dòng)等敏感的流量計(jì)，因此，應(yīng)充分重視現(xiàn)場(chǎng)管道的安裝條件，嚴(yán)格遵照使用說明書。

    渦街流量計(jì)可以安裝在室內(nèi)或室外。如果安裝在地井，為了防止被水淹沒，應(yīng)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(cè)量液體和氣體時(shí)，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(jì)必須保證上、下游直管段有必要的長(zhǎng)度（見圖7）。

    傳感器與管道的連接見圖8。在與管道連接時(shí)，要注意以下問題。

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

  
  ⑤現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)減小振動(dòng)對(duì)渦街流量計(jì)的影響值得關(guān)注。應(yīng)盡量避開振動(dòng)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(dòng)調(diào)整器是保證獲得高精確度測(cè)量的措施，在制造廠進(jìn)行裝配則更能保證安裝質(zhì)量。圖11為一安裝實(shí)例。

    電氣安裝應(yīng)注意，在傳感器與轉(zhuǎn)換器之間采用蔽電纜或低噪聲電纜連接，距離不應(yīng)超過使用說明書的規(guī)定。布線時(shí)應(yīng)遠(yuǎn)離強(qiáng)功率電源線，盡量采用單獨(dú)金屬套管保護(hù)。應(yīng)遵循“一點(diǎn)接地”原則，接地電阻小于10Ω。整體型和分離型均應(yīng)在傳感器側(cè)接地，轉(zhuǎn)換器外殼接地點(diǎn)應(yīng)與傳感器“同地”。

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   3.3 現(xiàn)場(chǎng)常見故障、原因及排除方法

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

表1 渦街流量計(jì)故障及其處理方法

    4 結(jié)束語

    我國(guó)在20世紀(jì)80年代即制訂了渦街流量計(jì)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（ZBN 12008-1989）和檢測(cè)規(guī)程（JJG 620-1989），在眾多的流量計(jì)中，渦街流量計(jì)的購(gòu)置費(fèi)低于質(zhì)量式、電磁式、容積式等，安裝、運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)低于節(jié)流式、容積式、渦輪式等，是一種經(jīng)濟(jì)性較好、較實(shí)用的流量計(jì)。渦街流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固，安裝維護(hù)方便，尤其適用于冶煉廠、化工廠、輸油管道等工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的使用。

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