1 丁烷流量計(jì)測量原理

  把一個非流線型阻流體（BluffBody）垂直插入管道中，隨著流體繞過阻流體流動，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，這種旋渦稱為卡門渦街，如圖1所示。

圖1 渦街形成的原理圖

    根據(jù)卡門的研究，這些旋列多數(shù)是不穩(wěn)定的，只有形成相互交替的內(nèi)旋的兩排旋渦，且渦列寬度d和同列相鄰的兩旋渦的間距l(xiāng)之比滿足一個常數(shù)時，這樣的渦列才是穩(wěn)定的。（對于圓柱形旋渦發(fā)生體這個比例為0.281）[2]。

    根據(jù)卡門渦街原理，旋渦頻率f與管內(nèi)平均流速u有如下關(guān)系：

 （1）

    式中：u1-旋渦發(fā)生體兩側(cè)平均流速（m/s）；d-旋渦發(fā)生體特征度；St-斯特勞哈爾數(shù)；m-旋渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積和管道內(nèi)橫截面積之比。

    由此可得瞬時體積流量與渦街頻率的關(guān)系為：

（2）

    從上式可以得到儀表系數(shù)K為：

（3）

    式中：qv-通過流量計(jì)的體積流量（L/s）；f-流量計(jì)輸出的信號頻率；k-渦街流量計(jì) 的儀表系數(shù)（1/L）。

    由上式可以看出，在St為常數(shù)時，儀表系數(shù)k僅與旋渦發(fā)生體的幾何參數(shù)有關(guān)，而與流體物性和組分無關(guān)。因此，渦街流量計(jì) 既可以測量液體，也可以測量氣體[3]。用水標(biāo)定的渦街流量計(jì) 可以用來測氣體。

圖2 St數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系

    圖2為斯特勞哈爾數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系。從上圖可以看出管道內(nèi)流體的雷諾數(shù)若小于5×103時，測量將無法進(jìn)行，因此選型時要注意渦街流量計(jì) 的zui小流量的限制[4-5]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前也有一些廠家的渦街流量計(jì) 可對不同雷諾數(shù)段的St值進(jìn)行分段補(bǔ)償

  2 丁烷流量計(jì)的結(jié)構(gòu)

    根據(jù)卡門渦街原理設(shè)計(jì)制造的渦街流量計(jì) ，由于設(shè)計(jì)的時間及生成手段的不同，其檢測方式及相應(yīng)的檢測原件都有所不同，所以結(jié)構(gòu)也不一樣。以差動電容式渦街流量計(jì) 為例，在旋渦發(fā)生體后面安裝差動電容傳感器 ，該傳感器為圓筒形，用變極距原理工作。當(dāng)有流體流過時，由于卡門渦街的作用，在發(fā)生體后差生交變差壓，電容傳感器由此產(chǎn)生左右擺動，引起兩側(cè)電容的極距發(fā)生變化，改變電容量，根據(jù)電容量的變化頻率就可以得知渦街頻率。一般渦街流量計(jì) 由傳感器和變送器 兩部份組成。傳感器包括：表體；旋渦發(fā)生體；檢測元件；法蘭等。轉(zhuǎn)換器包括：前置放大器 ；濾波整形電路；接線端子；CPU；存儲器單元；顯示單元；通信單元等。

    渦街抗振性主要取決于其檢測原理，對于差動電容的渦街傳感器，當(dāng)有外界管道機(jī)械振動或有流體沖擊時，不管振動方向如何，引起電容檢測元件的內(nèi)外電極同時做方向相同、變形量相等的振動，而由于此時的兩電極間的相對距離保持不變，電容量也沒有變化。所以差動電容渦街流量計(jì) 的抗振性優(yōu)于壓電晶體等檢測方式的渦街流量計(jì) 。

  3  的選型

    3.1  口徑的選取

    儀表生產(chǎn)廠家不同，其選型方式會有所不同。應(yīng)根據(jù)其相應(yīng)的選型方式，作出詳細(xì)的計(jì)算，來確定口徑的大小。而不能盲目的根據(jù)管道的口徑選擇流量計(jì)的口徑，選型時要注意：

    雷諾數(shù)限制：當(dāng)雷諾數(shù)Re<5×103時，渦街流量計(jì) 基本不能測量，當(dāng)雷諾數(shù)Re<2×104時，因St非線性偏高，所以導(dǎo)致測量值偏差大；流速限制：對于測量液體流量，zui大流速10m/s，測量氣體流量時，zui大流速75m/s。

    為使流量計(jì)的流速大一些，渦街流量計(jì) 工作在測量精度保證范圍內(nèi)，要盡量選用比公稱通徑小的流量計(jì)。如果流量計(jì)的口徑偏大，則使流量在低限運(yùn)行，使得測量值不準(zhǔn)確。

  3.2 傳感器檢測元件材質(zhì)的選取

    在化工場合，許多介質(zhì)時帶有腐蝕性的，因此在選型時應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的介質(zhì)選擇相應(yīng)的傳感器材質(zhì)。否則傳感器或旋渦發(fā)生體被腐蝕后，輕者會影響測量，重者使儀表無法正常測量，甚至發(fā)生介質(zhì)泄露的事故。

3.3 粘度較大或易沉淀的流體

    當(dāng)測量粘度較大或者易沉淀的流體，會在渦街發(fā)生體表面有粘附或沉積物時會使發(fā)生體的形狀和尺寸變化，影響儀表系數(shù)；而傳感器表面有粘附或沉淀物時，儀表的靈敏度會降低。對此建議選用其他原理的流量計(jì)，或經(jīng)常清洗流量計(jì)傳感器和旋渦發(fā)生體。

  4 安裝要點(diǎn)

    （1）選擇合理的安裝場所。如避開強(qiáng)電力設(shè)備、高頻設(shè)備、強(qiáng)電源開關(guān)設(shè)備；避開高溫?zé)嵩春洼椛錈嵩吹挠绊懀槐荛_強(qiáng)烈振動。

    （2）上下游直管段滿足要求。不同的阻流件對流場的影響是不一樣的，在突縮和突擴(kuò)管段可能在肩部形成二次流，在彎管位置在流動方向突然改變的彎管內(nèi)外側(cè)將形成二次流，在流通截面積突然改變的閥門位置流動也將受到影響。因此不同阻流件對直管段的要求也不同，見圖3，如流量計(jì)前有一個彎頭時，前面的直管段要求20倍的管道內(nèi)徑，后面的直管段要求5倍的管道內(nèi)徑。而流量計(jì)前有兩個彎頭時，前面的直管段要求40倍的管道內(nèi)徑，后面的直管段要求5倍的管道內(nèi)徑。

    （3）有振動的管道，渦街流量計(jì) 表頭水平安裝，對于振動較強(qiáng)的管系，設(shè)置減振裝置。

    （4）如有可能安裝旁通管，便于檢修。

    （5）測量含有少量異相的流體時，注意傳感器的安裝位置。如測量介質(zhì)中還有固體物時，流量計(jì)應(yīng)安裝在不易沉淀的地方；而測量介質(zhì)為氣體，其中含有液體時，應(yīng)在流量計(jì)前安裝排放閥，否則會產(chǎn)生氣錘，損壞傳感器。

    （6）介質(zhì)溫度較高時，流量計(jì)表頭向下安裝，或選用分體式流量計(jì)。

    （7）渦街流量計(jì) 信號傳輸電線應(yīng)采用金屬屏蔽電線，要有良好的接地措施。遵循一點(diǎn)接地原則。

    （8）管道隔熱保溫。一般測量蒸汽時，管道隔熱保溫是防止能量散失的重要手段，當(dāng)對渦街流量計(jì) 進(jìn)行隔熱處理時，應(yīng)確保渦街流量計(jì) 的傳感器和電路部分暴露在外，確保熱量向外射以防止儀表電子部件過熱。

    （9）為防止氣穴現(xiàn)象發(fā)生，渦街流量計(jì) 進(jìn)口壓力要滿足要求：

 （4）

    Δp-渦街流量計(jì) 的壓損；Pv-使用溫度下的液體的飽和蒸汽壓。

圖3 渦街流量計(jì) 直管段zui小要求

  5 渦街流量計(jì) 測量中的壓力、溫度補(bǔ)償

渦街流量計(jì) 測得的是工作狀況下的體積流量，以下情況需要壓力、溫度補(bǔ)償：

    （1）測量介質(zhì)為液體，輸出為質(zhì)量流量（部分液體）；

    （2）測量介質(zhì)為氣體，輸出為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量；

    （3）測量介質(zhì)為氣體，輸出為質(zhì)量流量[3]；

    此時，還需要一個流量積算儀，根據(jù)一定的溫度壓力補(bǔ)償公式來計(jì)算出所需要的流量，見圖4。

圖4 帶溫壓補(bǔ)償流量積算儀的測量圖

  6 影響渦街流量計(jì) 測量準(zhǔn)確度 的其它因素

    6.1 旋渦發(fā)生體迎流面堆積的影響

    如果被測流體中存在黏性顆粒，則可能會逐漸堆積在旋渦發(fā)生體迎流面上，使其幾何形狀和尺寸發(fā)生變化，因而流量系數(shù)也相應(yīng)變化，影響見圖5所示。

圖5 旋渦發(fā)生體發(fā)生堆積時的精度影響

    因此在使用中要注意清理。

 6.2 溫度對測量的影響

    溫度變化對測量體幾何尺寸變化的影響有兩部分組成，一是旋渦發(fā)生體寬度d發(fā)生變化引起的；另一個就是管道內(nèi)徑D變化引起的。消除此影響一般是對K系數(shù)進(jìn)行修正[5]。

（5）

    式中：Kt-流體溫度是t時的流量系數(shù)；Km-流體溫度是t0時的流量系數(shù)；A-常數(shù)，與渦街流量計(jì) 的材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)。

    目前一些廠家的流量計(jì)已對溫度的影響在軟件中進(jìn)行固定溫度修正和實(shí)時溫度修正，如Endress+Hause的Prowirl72和73型的渦街流量計(jì) 。

  6.3 配管內(nèi)徑與流量計(jì)內(nèi)徑不*造成的影響

    一般進(jìn)口儀表的內(nèi)徑時按照國外標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的，而在國內(nèi)的配管內(nèi)徑為國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的，兩者之間的差別有時很大，如Endress+Hause的Prowirl72FDN100口徑壓力為PN16的內(nèi)徑為107.1mm，而國內(nèi)的為101.0mm。對于配管內(nèi)徑與流量計(jì)內(nèi)徑不*，可分為兩種情況[6]：

    （1）當(dāng)管道實(shí)際內(nèi)徑大于儀表內(nèi)徑時，兩者之間的差值不超過流量計(jì)內(nèi)徑的3%，這時造成的誤差很小，對測量無影響，可無需修正。

    （2）當(dāng)管道內(nèi)徑小于儀表內(nèi)徑，且兩者之差不超過流量計(jì)內(nèi)徑的2%時，產(chǎn)生的誤差較小，可通過對儀表系數(shù)的修正進(jìn)行補(bǔ)償，修正因子Kd為：DN-流量計(jì)內(nèi)徑；D-配管內(nèi)徑。

    （3）當(dāng)管道內(nèi)徑與儀表內(nèi)徑相差較大，由于流體經(jīng)過這種突變造成的流體擾動使得渦街流量計(jì) 的測量變得不再穩(wěn)定和可靠，造成的誤差無法通過修正K系數(shù)來補(bǔ)償。此時需要流量計(jì)前后安裝足夠的與流量計(jì)內(nèi)徑*的直管段或流量計(jì)前安裝流場優(yōu)化整流器，但安裝整流器后仍需一定的直管段。