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涡街流量计

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涡街流量计是依据流体振动频率与流速有对应关系的原理工作的。自20 世纪60 年代末开始研制至今, 已开发出众多类型阻流体及检测法的涡街流量计,并在管道流量测量中得到广泛应用,跻身通用流量计之列。涡街流量计之所以会受到如此青睐,与它所具有的特点密不可分。

  1. 它输出的是与流量成正比的频率信号,并且频率信号不受流体组分、密度、压力、温度的影响;
  2. 量程范围较宽;精确度为中上水平;无可动部件,可靠性高;
  3. 结构简单牢固,安装维护方便,维护费较低;
  4. 应用范围广泛,可适用液体、气体和蒸气。

但是应该看到,涡街流量计尚属发展中的流量计,无论其理论基础还是实践经验尚较差。一方面,至今其流量方程经常引用卡门涡街理论,而此理论及其一些定量关系是卡门在气体风洞(均匀流场)中实验得出的,它与封闭管道中具有三维不均匀流场的旋涡分离的规律是不一样的。另一方面,实践经验更是需要通过长期应用才能积累。

涡街流量计的测量原理如下图所示,在流体管道中插入一定形状的旋涡发生体(阻流体),当流体绕过发生体后,在发生体两侧会交替产生规则的旋涡,这种旋涡称为卡门涡街。经过推导,流体的体积流量 Q 与漩涡频率 f 符合下面公式: Q = f / K;式中:K 为流量计的流量系数。在一定雷诺数范围内K 为常数,流量Q 与漩涡频率f 成线性关系。因此,只要测出f,就能求得体积流量Q

涡街流量计自上世纪70 年代投放市场以来,深受广大用户欢迎,目前已广泛应用于石油化工、冶金、机械、轻纺、制药等工业领域中,作为管道中液体、气体、蒸汽的计量和工业过程控制中不可缺少的流量测量仪表。涡街流量计适用的管道口径一般在300 mm 以下, 测量的精确度对于液体大致在±0.5 % ±1 %,对于气体在±1 % ±2 %,重复性一般为0.2 % 0.5 %。涡街流量计不适用于测量低雷诺数(ReD≤2 ×104)流体,一般液体平均流速下限为0. 5 m /s,气体为4 5 m / s

目前,日本横河(Yo kog aw a)电机株式会社生产的涡街流量计在国际市场上的占有率蕞高。此外,ABB 公司、Eastech 公司、Foxboro公司、Rosemount 公司等生产的涡街流量计也占据了一定的市场份额。不同公司生产的产品具有不同的特点,特别是在涡街发生体的形状设计上,各有千秋,有梯形、长方形、T 形,还有多发生体等,对涡街信号的检测也有不同方法,采用的元件有压电元件、热敏元件、超声波、电容元件等,在涡街信号处理上为提高测量精度,也有各自独有的一些专利技术。涡街流量计属于发展中流量计,无论在理论研究还是实际应用中,都有一些尚未解决的问题。近年来,引起了国内外广泛的关注,特别在以下几方面进行了大量研究:

  1. 对旋涡分离规律的研究。涡街流量计的测量原理是基于钝体绕流现象,既当流体绕流非流线形物体(又称钝体), 在一定流动工况下会发生钝体后部的旋涡脱落现象, 旋涡脱落的频率与流体流动速度之间存在一定关系, 利用这一关系, 通过对旋涡频率的检测实现流量的测量。但是, 钝体绕流现象是一种复杂的流动现象, 涉及到流动的分离、旋涡的生成和脱落、旋涡的相互干扰等问题, 受到诸如流体流动工况、紊流度、柱体形式和光洁度等许多因素的影响。
  2. 对旋涡(涡街)发生体形状的研究。旋涡发生体是涡街流量计的关键部件,仪表的流量特性(仪表系数、线性度、范围度等)和阻力特性都与它的几何形状、几何参数和排列方式密切相关。但旋涡发生体几何参数至今还没有比较成熟的计算方法,大多通过实验确定,目前用的比较多的是圆柱、三角柱、矩形柱、梯形柱和T 形柱等5 种。为了得到较好的仪表性能,国内外科研工作者通过实验和数值仿真计算,在改善旋涡发生体形状和多旋涡发生体方面进行了一些有益的探索。
  3. 对涡街信号检测方法的研究。流体通过旋涡发生体后,伴随旋涡的形成和分离,在旋涡发生体周围流体会同步发生流速、压力变化和下游尾流周期振荡。依据这些现象可以进行旋涡分离频率的检测。目前常用的检测方法按传感器来分主要有:热敏元件、压电元件、 电容元件、 应变元件等, 其中以压电元件应用蕞为广泛。对涡街信号检测方法的研究表现在对已有检测方法的改进和新传感技术在涡街频率检测方面的应用。
  4. 对涡街信号分析及处理的研究。涡街流量计在本质上是流体振动型流量计,因此在工业现场使用时,管道及各种设备振动引起的干扰会降低测量精度。

研究的难点和趋势:

  1. 涡街流量计的理论基础还很薄弱。对旋涡脱落的研究大多是在气体风洞即均匀流场中进行的,而涡街流量计应用于封闭管道,流场具有三维不均匀性, 其旋涡分离规律与均匀流场中的旋涡分离不完全相同。
  2. 涡街流量计应用范围的扩展。涡街流量计的应用由于雷诺数的限制,在高粘度、低流速和小口径情况下难以正确测量,量程受限。这需要在旋涡发生体形状,传感器结构方面作优化设计,以适应不同的测量要求。目前由于涡街频率测量元件的限制,涡街流量计可正常测量的温度、压力和管道口径有一定要求。
  3. 涡街流量计应用于质量流量的测量。涡街流量计现在大多用于体积流量的测量,但随着能源计量和管理的加强,工业过程自控系统的发展,对流量测量的要求不仅仅停留在体积流量的测量上,很多场合如工业生产中各种原料的配比或品质的控制、物料输送、能源输送、贸易结算等往往都需要知道质量流量。质量流量测量是目前流量测量中的重点也是难点问题,从传统的体积流量计,经过改进、完善与提高,发展成质量流量计,是质量流量测量技术发展的一个重要方面,也是当前研究的一个热点问题。



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