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渦街流量計(jì)知識(shí)講座
旋渦流量計(jì)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的一種新型流量?jī)x表。因有許多優(yōu)點(diǎn)，受到國(guó)內(nèi)外廣大用戶(hù)歡迎，發(fā)展較快，應(yīng)用不斷擴(kuò)大，在某些領(lǐng)域已部分替代了差壓式流量計(jì)或其他流量?jī)x表。
旋渦流量計(jì)是利用流體振動(dòng)原理來(lái)進(jìn)行流量測(cè)量的。即在特定流動(dòng)條件下，流體一部分動(dòng)能產(chǎn)生流體振動(dòng)，且振動(dòng)頻率與流體的流速（或流量）有一定的關(guān)系。這種流量計(jì)可分為自然振蕩的卡門(mén)旋渦分離型和流體強(qiáng)迫振蕩的旋渦進(jìn)動(dòng)型兩種。前者稱(chēng)為渦街流量計(jì)（ Vortex Shedding Flow meter），后者稱(chēng)為旋進(jìn)旋渦流量計(jì)（Swirl Flow meter）。除此以外，還有射流流量計(jì)（Flu-idic Flow meter）以及一種比較新型的空腔振蕩流量計(jì)（ Cavity Oscillation Flow meter）也屬旋渦流量計(jì)的范疇。目前用得最多的是渦街流量計(jì)
它的主要特點(diǎn)：
1）輸出是與流量成正比的脈沖信號(hào)，適用于流體總量測(cè)量，無(wú)零點(diǎn)漂移；
2）與差壓式流量計(jì)、浮子流量計(jì)等相比，測(cè)量精度較高，一般可達(dá)（±1%-±2%）R；
3）壓力損失較小，測(cè)量范圍較大，可達(dá)10：1到20：1甚至更大；
4）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固、維護(hù)方便、安裝費(fèi)用較低；
5）適用范圍較廣，可用于液體、氣體、蒸汽的流量測(cè)量，氣液通用；
6）在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，輸出信號(hào)頻率不受流體物性和組分變化影響，儀表系數(shù)僅與旋渦發(fā)生體形狀和尺寸有關(guān)，為旋渦發(fā)生體的標(biāo)準(zhǔn)化創(chuàng)造了條件；
7）可根據(jù)介質(zhì)和現(xiàn)場(chǎng)選擇相應(yīng)的檢測(cè)方法，儀表的適應(yīng)性較強(qiáng)。
但旋渦流量計(jì)也存在著一定的局限性：
1）它是一種速度式流量計(jì)，旋渦分離的穩(wěn)定性受流速分布影響，按上游不同形式阻流件，應(yīng)配置足夠長(zhǎng)的直管段，才能保證測(cè)量精確度。不少專(zhuān)家認(rèn)為，它對(duì)直管的要求不會(huì)比節(jié)流裝置低；
2）與同口徑渦輪流量計(jì)相比，儀表系數(shù)較低，且隨口徑增大而降低，分辨力也降低，所以滿(mǎn)管式儀表的通徑大都在300mm以下；
3）不適用于低雷諾數(shù)的流量測(cè)量（一般ReD≥2′ 104），所以，對(duì)于高粘度、低流速和小口徑的情況下應(yīng)用受到限制；
4）不適用于管內(nèi)有較嚴(yán)重的旋轉(zhuǎn)流以及管道產(chǎn)生振動(dòng)的場(chǎng)所；
5）旋渦分離時(shí)管內(nèi)局部壓力會(huì)明顯下降，測(cè)量液體時(shí)，當(dāng)壓力降到液體當(dāng)時(shí)溫度所對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽時(shí)，將發(fā)生氣蝕現(xiàn)象，因此上限流速受壓損和“氣蝕”現(xiàn)象限制；
6）兩相流、脈動(dòng)流對(duì)測(cè)量有影響，在某些情況下甚至難以形成渦街，儀表無(wú)法工作；
1 渦街流量計(jì)測(cè)量原理
把一個(gè)非流線(xiàn)型阻流體（Bluff Body）垂直插入管道中，隨著流體繞過(guò)阻流體流動(dòng)，產(chǎn)生附面層分離現(xiàn)象，形成有規(guī)則的旋渦列，左右兩側(cè)旋渦的旋轉(zhuǎn)方向相反（見(jiàn)圖8-1）。這種旋渦稱(chēng)為卡門(mén)渦街。根據(jù)卡門(mén)的研究，這些渦列多數(shù)是不穩(wěn)定的，只有形成相互交替的內(nèi)旋的兩排渦列，且渦列寬度h與同列相鄰的兩旋渦的間距l(xiāng)之比滿(mǎn)足
（對(duì)圓柱形旋渦發(fā)生體）時(shí)，這樣的渦列才是穩(wěn)定的。產(chǎn)生旋渦分離的阻流體稱(chēng)為旋渦發(fā)生體。渦街流量計(jì)是根據(jù)旋渦脫離旋渦發(fā)生體的頻率與流量之間的
關(guān)系來(lái)測(cè)量流量的儀表。
根據(jù)卡門(mén)渦街原理，旋渦頻率f與管內(nèi)平均流速u(mài)有如下關(guān)系流
式中，u1是旋渦發(fā)生體兩側(cè)平均流速（m/s）；d是旋渦發(fā)生體特征寬度（m）； St是斯特勞哈爾數(shù)（Strouhal無(wú)量綱系數(shù)），斯特勞哈爾數(shù)與旋渦發(fā)生體的形狀及雷諾數(shù)有關(guān)，圖8-2所示為圓柱形旋渦發(fā)生體的斯特勞哈爾數(shù)與雷諾數(shù)之間的關(guān)系圖，由圖8-2可知，當(dāng)雷諾數(shù)Re在2′ 104-7′ 106的范圍St基本是一個(gè)常數(shù)，m是旋渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積與管道內(nèi)橫截面積之比對(duì)于直徑為d的圓柱形旋渦發(fā)生體
式中 D是管道內(nèi)徑（m）。
瞬時(shí)體積流量（m3/s）。
儀表系數(shù)
式中，qv是通過(guò)流量計(jì)的體積流量（L/s）；f是流量計(jì)輸出的信號(hào)頻率（Hz）；K是渦街流量計(jì)儀表系數(shù)（L-1）。
式（8-3）說(shuō)明，在斯特勞哈爾數(shù)St為常數(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)渦街流量計(jì)的體積流量與旋渦頻率成正比。儀表系數(shù)K僅與旋渦發(fā)生體幾何參數(shù)有關(guān)，而與流體物性和組分無(wú)關(guān)。
渦街流量計(jì)可以測(cè)量液體流量，也可以測(cè)量氣體流量。其儀表系數(shù)與管道雷諾數(shù)之間的關(guān)系如圖8-3所示，我們稱(chēng)為流量計(jì)的特性曲線(xiàn)。從圖中可以看出，該特性不受流體的壓力、溫度、粘度、密度、成分的影響，而且水的特性與空氣的特性基本一致。也即水標(biāo)定的渦街流量計(jì)用于氣體，儀表系數(shù)僅相差0.5%左右，不會(huì)引起明顯誤差。
2 渦街流量計(jì)的結(jié)構(gòu)與分類(lèi)
2.1 渦街流量計(jì)的結(jié)構(gòu)
渦街流量計(jì)由傳感器和轉(zhuǎn)換器兩部分組成（見(jiàn)圖8-1）。傳感器包括：表體；旋渦發(fā)生體；檢測(cè)元件；安裝架和法蘭等。轉(zhuǎn)換器包括：前置放大器；濾波整形電路；接線(xiàn)端子；支架和防護(hù)罩等。近年來(lái)問(wèn)世的智能式儀表還將CPU、存儲(chǔ)單元、顯示單元、通信單元及其他功能模塊也裝在轉(zhuǎn)換器內(nèi)，形成智能型和組合型渦街流量計(jì)。
1.旋渦發(fā)生體
旋渦發(fā)生體是渦街流量計(jì)的關(guān)鍵部件，一般采用1Cr18Ni12Mo2Ti不銹鋼，儀表的流量特性（儀表系數(shù)、線(xiàn)性度、范圍度等）和阻力特性都與它的幾何參數(shù)和排列方式相關(guān)。在旋渦發(fā)生體選型及設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮旋渦在旋渦發(fā)生體軸線(xiàn)方向上同步分離的特性，才能保證旋渦的穩(wěn)定性。為產(chǎn)生強(qiáng)烈和穩(wěn)定的渦街并在較寬雷諾數(shù)范圍內(nèi)，有穩(wěn)定的旋渦分離點(diǎn)，必須保持旋渦發(fā)生體的特征寬度（迎流寬度）d不變，保證St為常數(shù)；另外，形狀和結(jié)構(gòu)力求簡(jiǎn)單，便于加工和幾何參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，便于各種檢測(cè)元件的安裝與組合；為保證儀表運(yùn)行的穩(wěn)定性和壽命，旋渦發(fā)生體的固有頻率應(yīng)遠(yuǎn)離渦街信號(hào)的頻帶，以避免共振，其材質(zhì)應(yīng)滿(mǎn)足流體性質(zhì)的要求，耐腐蝕、耐冷熱、耐沖刷?？偨Y(jié)起來(lái)，旋渦發(fā)生體應(yīng)滿(mǎn)足如下基本要求：
1）有一個(gè)鈍截面形狀（即非流線(xiàn)形的），形狀和結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單，便于加工和裝卸，便于安裝各種檢測(cè)元件；
2）應(yīng)是上下截面形狀相同，左右對(duì)稱(chēng)的柱形體；
3）能控制旋渦在軸線(xiàn)方向上同步分離，并有穩(wěn)定的旋渦分離點(diǎn)，保持恒定的斯特勞哈爾數(shù)；
4）柱形要有一定的陡度以產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦街，提高信噪比；
5）材質(zhì)能適應(yīng)被測(cè)介質(zhì)性質(zhì)的要求；
6）固有頻率應(yīng)在旋渦信號(hào)頻率以外。
但旋渦發(fā)生體幾何參數(shù)至今還沒(méi)有比較成熟的計(jì)算方法，大多通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。按柱形分，它有圓柱、三角柱、梯形柱、T形柱、矩形柱等；按結(jié)構(gòu)分，它有單體、雙體和多體之分。如圖8-4所示為常見(jiàn)的單體和多體旋渦發(fā)生體的截面形狀，流體流動(dòng)方向自左向右。
圓柱形旋渦發(fā)生體是形狀最簡(jiǎn)單的旋渦發(fā)生體，加工方便，阻力系數(shù)小，St比較高。但是隨著雷諾數(shù)的變化，其旋渦分離點(diǎn)會(huì)隨圓柱表面移動(dòng)，渦街的穩(wěn)定性和儀表線(xiàn)性度較差，現(xiàn)基本已被有固定旋渦分離點(diǎn)的其他柱形所代替。
雙體或多體旋渦發(fā)生體是為了提高渦街強(qiáng)度和穩(wěn)定性，降低下限雷諾數(shù)和阻力系數(shù)而被逐步采用的。它由主發(fā)生體和輔助發(fā)生體組成。位于上游的發(fā)生體陡度較小，其作用是分流和起旋，為旋渦增強(qiáng)作準(zhǔn)備，故稱(chēng)輔助發(fā)生體。位于下游的發(fā)生體陡度較大，檢測(cè)元件或傳感器大都安裝在下游發(fā)生體內(nèi)，或它的上下游附近，故稱(chēng)主發(fā)生體。當(dāng)形狀、尺寸以及兩者距離選擇合適時(shí)，可產(chǎn)生更強(qiáng)、更穩(wěn)定的卡門(mén)渦街。
2.旋渦信號(hào)檢測(cè)
伴隨旋渦的形成和分離，旋渦發(fā)生體周?chē)黧w會(huì)同步發(fā)生流速、壓力變化和下游尾流周期振蕩。依據(jù)這些現(xiàn)象可以進(jìn)行旋渦分離頻率的檢測(cè)。綜合起來(lái)檢測(cè)技術(shù)可概括以下兩大類(lèi)。
1）檢測(cè)旋渦發(fā)生后在旋渦發(fā)生體上受力的變化頻率，即受力檢測(cè)類(lèi)，一般可用應(yīng)力、應(yīng)變、電容、電磁等檢測(cè)技術(shù)。
2）檢測(cè)旋渦發(fā)生后在旋渦發(fā)生體附近的流動(dòng)變化頻率，即流速檢測(cè)類(lèi)，一般可用熱敏、超聲、光電（光纖）等檢測(cè)技術(shù)。
不管采用哪一種檢測(cè)技術(shù)，就其檢測(cè)旋渦頻率信號(hào)的方式主要有以下5種：
a）用安裝在旋渦發(fā)生體內(nèi)的檢測(cè)元件直接檢測(cè)發(fā)生體兩側(cè)差壓的方式；
b）在旋渦發(fā)生體上開(kāi)設(shè)導(dǎo)壓孔，在導(dǎo)壓孔中安裝檢測(cè)元件，檢測(cè)發(fā)生體兩側(cè)差壓的方式；
c）檢測(cè)旋渦發(fā)生體周?chē)蛔儹h(huán)流的方式；
d）檢測(cè)旋渦發(fā)生體背面交變差壓的方式；
e）檢測(cè)尾流中旋渦列的方式。
根據(jù)這五種檢測(cè)方式，采用不同的檢測(cè)技術(shù)就構(gòu)成了不同類(lèi)型的渦街流量計(jì)，表8-1為各種旋渦發(fā)生體常用的檢測(cè)方式一覽表。
在設(shè)計(jì)檢測(cè)元件時(shí)必須考慮選用的檢測(cè)元件性能穩(wěn)定，在儀表壽命期內(nèi)工作特性基本不變。有較寬的動(dòng)態(tài)工作范圍和較快的
響應(yīng)特性，復(fù)現(xiàn)性和互換性好，體積小，不因它的安裝而影響儀表的流量特性；適合批量生產(chǎn)，造價(jià)合理，能適應(yīng)不利（腐蝕、振動(dòng)、高低溫、沖刷）的工作條件，工作可靠。表8-2列出了不同檢測(cè)方法渦街流量計(jì)及性能。
3.轉(zhuǎn)換器
轉(zhuǎn)換器將檢測(cè)元件檢測(cè)到的微弱電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、整形等處理，輸出與流量成比例的脈沖信號(hào)。對(duì)于流量顯示儀，一般還轉(zhuǎn)換成4-20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。其電路框圖如圖8-5所示。不同檢測(cè)方法應(yīng)配備不同特性的前置放大器，如表8-3所示。后面的濾波、整形D/A（F/I）轉(zhuǎn)換電路則無(wú)根本區(qū)別。
2.2 渦街流量計(jì)的分類(lèi)
按照不同的分類(lèi)方法，渦街流量計(jì)可以分成以下幾類(lèi)。
1.按流量傳感器與管道連接方式分類(lèi)
可以分成法蘭連接型（法蘭型）和法蘭夾裝型（夾裝型或夾持型）兩類(lèi)，其儀表表體分別如圖8-6a和b所示。
2.按檢測(cè)方法分類(lèi)
1）電容式渦街流量計(jì)；
2）應(yīng)力式渦街流量計(jì)；
3）應(yīng)變式渦街流量計(jì)；
4）振動(dòng)體式渦街流量計(jì)；
5）光電式渦街流量計(jì)；
6）熱敏式渦街流量計(jì)；
7）超聲式渦街流量計(jì)；
8）其他檢測(cè)方式渦街流量計(jì)。
各種檢測(cè)方法的測(cè)量原理如下。
（1）差動(dòng)電容式渦街流量計(jì)
在旋渦發(fā)生體兩側(cè)面（或旋渦發(fā)生體外部）設(shè)置差動(dòng)電容傳感器，其結(jié)構(gòu)原理如圖8-7a。兩個(gè)電容中間密封的電介質(zhì)一般為硅油，電介質(zhì)在內(nèi)部是連通的。兩個(gè)外極板中間充滿(mǎn)硅油可以提高差壓測(cè)量的敏感性，可減小靜壓誤差。在脈動(dòng)差壓作用下，電容值的變化是差動(dòng)的。兩電容接成差動(dòng)電容電橋，經(jīng)信號(hào)處理電路轉(zhuǎn)換成與旋渦頻率相應(yīng)的脈沖信號(hào)或電流信號(hào)，如圖8-7b所示。近年來(lái)，電容式渦街流量計(jì)得到了迅速的發(fā)展，在測(cè)量范圍、工作溫度范圍和抗振性能等方面都有明顯改進(jìn)。如何適應(yīng)臟污介質(zhì)和腐蝕性介質(zhì)是它有待改進(jìn)的問(wèn)題。
（2）應(yīng)力式渦街流量計(jì)
在旋渦發(fā)生體內(nèi)（或旋渦發(fā)生體外部）埋置壓電晶體，利用壓電晶體對(duì)應(yīng)力的敏感性，檢測(cè)所受到的交變應(yīng)力來(lái)反映旋渦分離頻率（見(jiàn)圖8-8），轉(zhuǎn)換成交變的電荷信號(hào)，經(jīng)電荷放大、濾波、整形后輸出與旋渦頻率相應(yīng)的脈沖信號(hào)或電流信號(hào)。壓電傳感器響應(yīng)快、信號(hào)強(qiáng)、工藝性好、制造成本低。工作溫度范圍寬、可靠性好，在國(guó)內(nèi)外發(fā)展較快，已有系列化產(chǎn)品?？蓮V泛用于液體、氣體、蒸汽流量的測(cè)量。但抗振性較差，選用時(shí)應(yīng)充分注意現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)情況，采取可靠抗振措施。
（3）應(yīng)變式渦街流量計(jì)
旋渦發(fā)生體兩側(cè)的旋渦交替分離時(shí)，柱體將受到交變的橫向外力作用，從而產(chǎn)生相應(yīng)的形變。因此，可以利用埋于雙旋渦發(fā)生體靈敏部位的應(yīng)變?cè)?，通過(guò)測(cè)量應(yīng)變來(lái)檢測(cè)旋渦分離頻率。通過(guò)自動(dòng)增益控制A放大電路和整形電路，獲得渦街信號(hào)。這種儀表檢測(cè)靈敏度較低，目前只用于液體和有一定粘度的糖漿、重油流量測(cè)量。其測(cè)量原理如圖8-9所示。
（4）振動(dòng)體式渦街流量計(jì)
在旋渦發(fā)生體軸向開(kāi)設(shè)柱形深孔，孔內(nèi)放置軟磁材料制作的輕質(zhì)空心小球或圓盤(pán)（統(tǒng)稱(chēng)振動(dòng)體），旋渦分離時(shí)產(chǎn)生的差壓推動(dòng)振動(dòng)體上下運(yùn)動(dòng)，位于振動(dòng)體上方的電磁傳感器（見(jiàn)圖8-10）檢測(cè)出旋渦頻率。這種儀表的應(yīng)用局限于蒸汽、液態(tài)氣體等清潔度很高的介質(zhì)或一些特殊場(chǎng)合。
（5）光電式渦街流量計(jì)
旋渦分離產(chǎn)生的差壓被引到外面，作用到可繞拉緊帶擺動(dòng)的反射鏡上。發(fā)光管發(fā)射的光被反射到光電管，反射鏡受交變差壓作用而擺動(dòng)，光電管接受到的光強(qiáng)同步變化，通過(guò)光電放大器、整形電路輸出渦街脈沖信號(hào)。采用光纖傳感器同樣可以測(cè)量渦街信號(hào)。這種檢測(cè)方式靈敏度很高，可測(cè)流速較低的氣體流量。主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)裝置進(jìn)氣量的測(cè)量。由于測(cè)量系統(tǒng)比較復(fù)雜，目前我國(guó)尚無(wú)此類(lèi)儀表。
（6）熱敏式渦街流量計(jì)
采用對(duì)流速敏感的熱敏元件，通過(guò)測(cè)量因旋渦分離引起的流速變化來(lái)反映旋渦分離頻率。把自熱式熱敏電阻置于旋渦發(fā)生體底部或適當(dāng)部位（見(jiàn)圖8-11），旋渦分離引起局部流速脈動(dòng)，使阻值變化。一般采用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，采用恒流電路進(jìn)行檢測(cè)。電路把阻值變化轉(zhuǎn)換為交變電壓信號(hào)，經(jīng)差動(dòng)放大、濾波、整形輸出渦街脈沖信號(hào)。這種儀表檢測(cè)靈敏度高，下限流速較低，對(duì)管道振動(dòng)不敏感，但工作溫度上限不高，多用于清潔、無(wú)腐蝕介質(zhì)的流量測(cè)量。
(7)超聲式渦街流量計(jì)
如圖8-12所示，在旋渦發(fā)生體下游對(duì)稱(chēng)安裝超聲波發(fā)射換能器及接收換能器，發(fā)射換能器將等幅連續(xù)的聲波發(fā)射到流體中去，聲波橫穿流體傳播，當(dāng)聲波通過(guò)旋渦時(shí)，引起聲束偏轉(zhuǎn)，每一對(duì)旋轉(zhuǎn)方向相反的旋渦對(duì)聲波產(chǎn)生一個(gè)周期性的變化。經(jīng)接收探頭轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)電路放大、檢波、整形后獲得旋渦信號(hào)。這種儀表具有非接觸測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)且具有較高的檢測(cè)靈敏度，下限流量較低。但由于溫度對(duì)聲調(diào)制有影響，流場(chǎng)的變化和液體中所含的氣泡對(duì)測(cè)量的影響也很明顯，所以該儀表一般只用于溫度變化較小的氣體和含氣量很小的液體流量測(cè)量。
3.按傳感器結(jié)構(gòu)形式分類(lèi)
按傳感器結(jié)構(gòu)形式可以分成：
1)管道式渦街流量計(jì)，傳感器殼體如圖8-6所示，一般只用于中小管口徑管道的流量測(cè)量。
2)插入式渦街流量計(jì)，傳感器本身不帶測(cè)量管，使用時(shí)將傳感器插入到被測(cè)管道中的某一點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。一般用于大口徑管道的流量測(cè)量。
插入式渦街流量計(jì)與測(cè)量管道的連接方式有：
1)外螺紋管式連接，帶調(diào)節(jié)功能，可調(diào)節(jié)插入桿的深度；
2)內(nèi)螺紋球閥式連接，帶調(diào)節(jié)功能，可調(diào)節(jié)插入桿的深度，可在線(xiàn)裝卸流量計(jì)；
3)法蘭式連接，帶調(diào)節(jié)功能，可調(diào)節(jié)插入桿的深度；
4)法蘭帶球閥式連接，帶調(diào)節(jié)功能，可調(diào)節(jié)插入桿的深度，可在線(xiàn)裝卸流量計(jì)。
4.按用途分類(lèi)
1)防爆型渦街流量計(jì)，用于石油化工等防爆系統(tǒng)。
2)高溫型渦街流量計(jì)，用于測(cè)量蒸汽等高溫介質(zhì)。
3)極低溫型渦街流量計(jì)，傳感器和轉(zhuǎn)換器都能適應(yīng)低溫要求，用于測(cè)量如液氧、液氮等極低溫介質(zhì)。
4)耐腐型渦街流量計(jì)，測(cè)量普通不銹鋼不能承受的強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)，如強(qiáng)酸、強(qiáng)堿，氯化氫、硫化氫等。
5)汽車(chē)專(zhuān)用渦街流量計(jì)，專(zhuān)用于測(cè)量汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量， 其特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)范圍寬，幾乎無(wú)直管段要求。
6)自動(dòng)控制系統(tǒng)用渦街流量變送器，輸出4-20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，與調(diào)節(jié)儀表或工控機(jī)聯(lián)用，實(shí)現(xiàn)工業(yè)過(guò)程自動(dòng)控制，要求變送器有很高的可靠性和穩(wěn)定性。
7)質(zhì)量型渦街流量計(jì)，應(yīng)用旋渦發(fā)生體的阻力特性或旋渦強(qiáng)度與介質(zhì)密度有關(guān)的原理，測(cè)量旋渦發(fā)生體前后差壓或旋渦信號(hào)幅值與旋渦頻率，綜合得出質(zhì)量流量的儀表。
5.按傳感器和轉(zhuǎn)換器的組成分類(lèi)
1)一體型渦街流量計(jì)
傳感器與轉(zhuǎn)換器整體裝配在一起，結(jié)構(gòu)緊湊。
2)分離型渦街流量計(jì)
傳感器與轉(zhuǎn)換器分離，轉(zhuǎn)換器可脫離高溫、腐蝕等工作場(chǎng)合，但由于傳感器輸出信號(hào)較微弱，信號(hào)傳輸線(xiàn)長(zhǎng)度受到限制，應(yīng)考慮信號(hào)匹配問(wèn)題。
6.按傳感器是否帶微處理器分類(lèi)
可以分成：
1)普通渦街流量計(jì);
2)智能型渦街流量計(jì)。
3 渦街流量計(jì)的主要參數(shù)
渦街流量計(jì)的主要參數(shù)包括其技術(shù)指標(biāo)參數(shù)，如流量范圍、測(cè)量精度、壓力損失、氣穴等。
1.主要技術(shù)指標(biāo)
(1)被測(cè)介質(zhì)
液體、氣體或蒸汽，一般應(yīng)避免多相流和高粘流體。
(2)測(cè)量精度
對(duì)于液體為±O.5%R-± 1%R；對(duì)于氣體和蒸汽為±1%R-±1.5%R；對(duì)于插入式儀表為±2%R。
如果為模擬信號(hào)輸出而非脈沖信號(hào)時(shí)，測(cè)量精度應(yīng)在上述值上再加±O.1%F.S.o
(3)重復(fù)性
± O.2%R-± O.25%R。
(4)測(cè)量范圍
測(cè)量范圍分為流速可測(cè)范圍和保證測(cè)量精度的流速范圍?？蓽y(cè)流速范圍的最小流速與被測(cè)介質(zhì)粘度和密度有關(guān)，如圖8-13和圖8-14所示為YEWFLO例。保證精度的最小流速為圖8-13中的值和圖8-14中值的4倍(對(duì)于150mm到300mm口徑的取8倍)中取較大者。最大流速對(duì)于液體一般小于10m/s，對(duì)于氣體或蒸汽，一般小于80m/so
如果取氣體最小流速u(mài)min=3.7m/s，最大流速u(mài)max=75m/s；液體最小流速u(mài)min=O.42m/s，最大流速u(mài)max=9.Om/s，則渦街流量計(jì)的流量測(cè)量范圍如表8-4所示。
隨著壓力的增高，氣體最小流速可適當(dāng)降低。
(5)儀表系數(shù)
渦街流量計(jì)的儀表系數(shù)可分為體積流量?jī)x表系數(shù)Kω和質(zhì)量流量?jī)x表系數(shù)Kmo，它們是由生產(chǎn)廠(chǎng)家在儀表出廠(chǎng)前在常溫狀態(tài)下標(biāo)定得到的?？捎墒?8-5)定義。
當(dāng)儀表工作狀態(tài)與標(biāo)定狀態(tài)相差較大時(shí)，應(yīng)對(duì)儀表系數(shù)進(jìn)行修正，使用狀態(tài)下的儀表系數(shù)為
式中，Et是溫度修正系數(shù)；ER是雷諾數(shù)修正系數(shù)；ED是管徑偏差修正系數(shù)；ES是兩相流修正系數(shù)。
溫度修正系數(shù)Et可用式(8-7)計(jì)算。
式中，αb是傳感器測(cè)量管材料線(xiàn)膨脹系數(shù)；αx是旋渦發(fā)生體材料線(xiàn)膨脹系數(shù)；t是儀表工作溫度(° C)；to是標(biāo)定時(shí)溫度(° C)o
雷諾數(shù)修正系數(shù)ER是用來(lái)修正使用雷諾數(shù)超出規(guī)定的下限雷諾數(shù)時(shí)帶來(lái)的測(cè)量誤差，一般，儀表制造廠(chǎng)家應(yīng)提供該修正系數(shù)。表8-5所示為某廠(chǎng)提供的當(dāng)雷諾數(shù)在5000-40000范圍內(nèi)變化時(shí)的雷諾數(shù)修正系數(shù)，其他渦街流量計(jì)可以參考使用。
兩相流修正系數(shù)ES用來(lái)修正液體中容積含氣率不大于10%且均勻分布時(shí)引起的測(cè)量誤差，一般ES在0.9940-0.9950之間。當(dāng)流體中的容積含氣率太大時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)較大的測(cè)量誤差，甚至不能形成穩(wěn)定的卡門(mén)渦街。
管徑偏差修正系數(shù)ED用來(lái)修正傳感器內(nèi)徑DN和配管內(nèi)徑D之間有偏差時(shí)產(chǎn)生的測(cè)量誤差，可用式(8-8)來(lái)計(jì)算ED：
(6)其他參數(shù)
包括介質(zhì)溫度范圍，最大工作壓力，輸出信號(hào)，防爆性能等。
2.壓力損失
渦街流量計(jì)的壓力損失比較低，一般可用式(8-9)或式(8-10)計(jì)算
式中 Δp是壓力損失(kPa)；ρ是使用狀態(tài)下介質(zhì)密度(kg/m3)；u是流速(m/s)；qv是體積流量(m3/h)；D是管道內(nèi)徑(mm)。
測(cè)量水時(shí)，最大壓力損失(流速u(mài)=10m/s)約為110kPa；
測(cè)量常壓下空氣時(shí)，最大壓力損失(流速u(mài)=80m/s)約為9.1kPa。
3.氣穴
測(cè)量液體流量時(shí)，為了防止產(chǎn)生氣穴，要計(jì)算最大流量時(shí)流量計(jì)下游的最低工作壓力。該壓力p可用式(8-11)計(jì)算。
式中 ρ是渦街流量計(jì)下游殼體內(nèi)壓力(kPa)；Δp是壓力損失(kPa)；pv是使用溫度下，液體的絕對(duì)飽和蒸汽壓(kPa)。
4 渦街流量計(jì)的選型和安裝使用
4.1 類(lèi)型和結(jié)構(gòu)的選擇
按被測(cè)介質(zhì)、環(huán)境、使用要求等選擇合適類(lèi)型與結(jié)構(gòu)的渦街流量計(jì)。滿(mǎn)管式渦街流量計(jì)，口徑大多為15-300mm；口徑大于300mm的建議選用插入式渦街流量計(jì)。
4.2 被測(cè)流體的適應(yīng)性
渦街流量計(jì)可測(cè)液體、氣體和蒸汽，選表時(shí)對(duì)被測(cè)流體狀況需作分析。
1.含固體的流體
含固體微粒的流體對(duì)旋渦發(fā)生體和傳感器的沖刷會(huì)產(chǎn)生與渦街信號(hào)無(wú)關(guān)的噪聲，磨損旋渦發(fā)生體、改變儀表系數(shù)、影響測(cè)量精確度，選用時(shí)應(yīng)加以考慮。不得已時(shí)應(yīng)在上游安裝過(guò)濾器或?qū)x表進(jìn)行定期檢定。如流體中含短纖維，纖維要短到不會(huì)纏繞旋渦發(fā)生體和傳感元件。
2.易結(jié)垢或沉淀流體
旋渦發(fā)生體表面有污垢和沉積物會(huì)使發(fā)生體形狀和尺寸變化，影響儀表系數(shù)；傳感元件表面出現(xiàn)此現(xiàn)象會(huì)降低靈敏度，應(yīng)經(jīng)常清洗除垢。
3. 混相流體
1)渦街流量計(jì)可用于含分散、均勻的微小氣泡，但容積含氣體率應(yīng)小于7%-10%的氣-液兩相流；如超出2%還應(yīng)對(duì)儀表系數(shù)進(jìn)行修正。
2)可用于含分散、均勻的固體微料，含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))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-水)兩組分流，但流速須大于O.5m/s，否則會(huì)受含量影響。
4.脈動(dòng)流
渦街流量計(jì)在定常流時(shí)測(cè)量準(zhǔn)確，但管路系統(tǒng)中如有羅茨式鼓風(fēng)機(jī)、往復(fù)式水泵等動(dòng)力機(jī)械，會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)脈動(dòng)，如脈動(dòng)頻率處在渦街頻帶內(nèi)，這將是測(cè)量誤差的主要來(lái)源，脈動(dòng)嚴(yán)重時(shí)甚至不能形成卡門(mén)渦街。
選表時(shí)要了解工況，卡門(mén)旋渦強(qiáng)度用升力FL計(jì)算式為
式中，CL是旋渦發(fā)生體升力系數(shù)，無(wú)量綱，與旋渦發(fā)生體形狀和尺寸有關(guān)；ρ是介質(zhì)密度(kg/m3)；u是平均流速(m/s)。
若脈動(dòng)壓力PN與FL之比PN/FL較大，會(huì)影響測(cè)量，實(shí)驗(yàn)表明，PN/SK<15是必要條件，而PN/FL<3則是較理想的條件。
測(cè)量脈動(dòng)流可采用脈動(dòng)緩沖措施，抑制脈動(dòng)壓力，如在儀表上游測(cè)量管路中設(shè)置緩沖容器和孔板，可衰減脈動(dòng)壓力。
5.粘性流體
各種渦街流量計(jì)都有確定的雷諾數(shù)范圍，儀表在下限雷諾數(shù)Remin以下工作時(shí)，斯特勞哈爾數(shù)St已不是常數(shù)(如圖8-15所示)，儀表的線(xiàn)性度變差，所以測(cè)量粘性流體時(shí)，最小流量應(yīng)由下限雷諾數(shù)確定，而儀表可使用的介質(zhì)最大粘度由式(8-13)來(lái)確定，用戶(hù)可根據(jù)使用說(shuō)明書(shū)中給出下限雷諾數(shù)和有關(guān)圖表，以及儀表的口徑和使用最小流量，確定可應(yīng)用的粘度范圍。
式中，y是動(dòng)力粘度(Pa· s)；qmmin是最小質(zhì)量流量(kg/s)；D
是儀表通徑(m)；ReDmin是最小管道雷諾數(shù)。
4.3 流量范圍和口徑的確定
由于渦街流量計(jì)的輸出頻率是與使用狀態(tài)下流過(guò)儀表的體積流量成正比的，所以，首先應(yīng)明確用戶(hù)提出的工作條件，包括流體名稱(chēng)、成分、密度、粘度、工作壓力和溫度的范圍以及流量范圍和單位(即標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下體積流量或質(zhì)量流量)等。如果是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下體積流量或質(zhì)量流量，應(yīng)把標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)體積流量或質(zhì)量流量根據(jù)式(8-14)和式(8-15)換算成工作狀態(tài)體積流量，查對(duì)使用說(shuō)明書(shū)中給出的流量范圍(類(lèi)似表8-4)就可以確定儀表口徑。
式中，T、p分別是工作狀態(tài)下的熱力學(xué)溫度和絕對(duì)壓力(Pa)；qvo是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(ρ=101325Pa，T=20° C)下體積流量(m3/h)；
是工作狀態(tài)下介質(zhì)密度；Z是氣體的壓縮系數(shù)。
4.4 渦街流量計(jì)安裝使用
1.安裝
渦街流量計(jì)有許多種結(jié)構(gòu)形式，安裝、維修人員必須了解所裝儀表的具體結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)以及流量信號(hào)的轉(zhuǎn)換，了解信號(hào)傳輸過(guò)程中各環(huán)節(jié)的作用，按產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)進(jìn)行安裝使用。
一般來(lái)說(shuō)，渦街流量傳感器的安裝應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。
1)選擇合理的安裝場(chǎng)所
安裝場(chǎng)所應(yīng)避開(kāi)強(qiáng)電力設(shè)備、高頻設(shè)備、強(qiáng)電源開(kāi)關(guān)設(shè)備；避開(kāi)高溫?zé)嵩春洼椛錈峋蛴绊?；避開(kāi)高溫和強(qiáng)腐蝕氣氛影響；避開(kāi)強(qiáng)烈振動(dòng)并且安裝、布線(xiàn)、維修方便。
2)上下游配管應(yīng)滿(mǎn)足安裝要求
多數(shù)傳感器可水平、垂直或傾斜安裝，但有的傳感器(如振動(dòng)體式和光電式)只能水平安裝，安裝時(shí)傳感器流向標(biāo)志要與介質(zhì)流向一致。如介質(zhì)是液體，要保證液體充滿(mǎn)管道。且傳感器上下游應(yīng)配足夠長(zhǎng)的直管段，不同形式阻流件應(yīng)配置的直管段長(zhǎng)度列于表8-6。配管應(yīng)與傳感器同心，同軸偏差應(yīng)不大于O.05DN。配管內(nèi)徑D與傳感器內(nèi)徑DN之間的差異應(yīng)滿(mǎn)足0.98DN≤D≤1.05DN的要求，并對(duì)儀表系數(shù)K按式（8-8）進(jìn)行修正。如要安裝流動(dòng)調(diào)整器，則裝在流量傳感器上游，且應(yīng)有不小于6D直管段長(zhǎng)度。如加裝過(guò)濾器，則應(yīng)安裝在流動(dòng)調(diào)整器上游，且保證傳感器上游最短直管段長(zhǎng)度。流量、壓力調(diào)節(jié)閥應(yīng)裝在傳感器下游5D以外。測(cè)溫孔和測(cè)壓孔位置，測(cè)壓孔應(yīng)設(shè)在傳感器上游ID和下游4D處；測(cè)溫孔應(yīng)設(shè)在傳感器下游（6-7）D處。
3）減振措施
渦街流量計(jì)是以流體振蕩原理工作的，因此傳感器安裝應(yīng)避開(kāi)強(qiáng)烈振動(dòng)，特別是“橫向”振動(dòng)。如儀表裝在振動(dòng)較強(qiáng)的管道上，應(yīng)采取減振措施，在傳感器上下游2D處分別設(shè)置防振座并加防振墊。
4）旁通管的安裝
為了不斷流地檢查與清洗傳感器，一般應(yīng)設(shè)置旁通管道，如圖8-16所示。
5）測(cè)量少量異相的氣液兩相流時(shí)，應(yīng)注意傳感器的安裝位置。
測(cè)量液體時(shí)，管道中可能存在少量沒(méi)有完全排除的不穩(wěn)定氣相或液體氣化的氣相。為防止氣體在傳感器內(nèi)滯留，應(yīng)按圖8-17a所示正確位置安裝。
測(cè)量氣體時(shí)，管道中可能存在少量沒(méi)有完全排除的不穩(wěn)定液相或所測(cè)氣體或蒸汽由于冷卻降溫而產(chǎn)生冷凝液。為防止液體在傳感器內(nèi)滯留，應(yīng)按圖8-17b所示正確位置安裝，最好能垂直安裝，流體自下而上通過(guò)傳感器。測(cè)高、低溫流體時(shí)傳感器自身應(yīng)有有效的保溫措施。
6）傳感器與轉(zhuǎn)換器的接線(xiàn)
分離型渦街流量計(jì)的傳感器與轉(zhuǎn)換器之間的電氣連接應(yīng)采用屏蔽電纜或低噪聲電纜，其距離應(yīng)不超過(guò)安裝使用說(shuō)明書(shū)規(guī)定，布線(xiàn)時(shí)應(yīng)遠(yuǎn)離強(qiáng)功率電源線(xiàn)，盡可能單獨(dú)用金屬套管保護(hù)。轉(zhuǎn)換器可裝在安裝架上或就近放在保護(hù)箱內(nèi)。
7）接地
遵循“一點(diǎn)接地”原則，接地電阻應(yīng)小于10Ω。整體型和分離型都應(yīng)在傳感器側(cè)接地。轉(zhuǎn)換器外殼接地點(diǎn)也應(yīng)與傳感器“同地”。
2.檢查和調(diào)試
整套流量計(jì)安裝完畢后必須進(jìn)行如下檢查和調(diào)試。
1）檢查
現(xiàn)場(chǎng)安裝完畢通電和通流前應(yīng)檢查主管和旁通管上各法蘭、閥門(mén)、測(cè)壓孔、測(cè)溫孔及接頭應(yīng)無(wú)滲漏現(xiàn)象；管道的振動(dòng)情況是否符合使用說(shuō)明書(shū)規(guī)定；傳感器安裝是否正確；各部分電氣連接是否良好。
2）接通電源靜態(tài)調(diào)試
在通電不通流時(shí)轉(zhuǎn)換器應(yīng)無(wú)輸出，瞬時(shí)流量指示為零，累積流量無(wú)變化。否則首先檢查是否因信號(hào)線(xiàn)屏蔽或撞地不良，或管道振動(dòng)強(qiáng)烈而引入干擾信號(hào)。如確認(rèn)不是上述原因時(shí)，可調(diào)整轉(zhuǎn)換器內(nèi)電位器，降低放大器增益或提高整形電路觸發(fā)電平，直至輸出為零。
3）通流動(dòng)態(tài)調(diào)試
關(guān)旁通閥，打開(kāi)上下游閥門(mén)，流動(dòng)穩(wěn)定后轉(zhuǎn)換器輸出連續(xù)的脈寬均勻的脈沖，流量指示穩(wěn)定無(wú)跳變。調(diào)閥門(mén)開(kāi)度，輸出隨之改變。否則應(yīng)細(xì)致地檢查并調(diào)整電位器直至儀表輸出即無(wú)誤觸發(fā)又無(wú)漏脈沖為止。
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