渦街流量計的測量原理與影響其準確度的因素分析

渦街流量計測量計原理

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-通過流量計的體積流量（L/s）；f-流量計輸出的信號頻率；k-渦街流量計的儀表系數(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，渦街流量計既可以測量液體，也可以測量氣體[3]。用水標定的渦街流量計可以用來測氣體。

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，測量將無法進行，因此選型時要注意渦街流量計的最小流量的限制[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可對不同雷諾數(shù)段的St值進行分段補償，如Endress+Hause的Prowirl73型的渦街流量計。

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，因此在使用中要注意清理。

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)生體寬度發(fā)生變化引起的;另一個是管道內(nèi)經(jīng)變化引起的。消除此影響一般是對K系數(shù)進行修正。目前一些廠家的流量計已對溫度的影響在軟件中進行固定溫度修正和實時溫度修正。

3、配管內(nèi)經(jīng)與流量計內(nèi)經(jīng)不一致造成的影響

一般進口儀表的內(nèi)經(jīng)是按照國外標準生產(chǎn)的，而在國內(nèi)的配管內(nèi)經(jīng)是國內(nèi)標準的，兩者之間的差別有時很大，對于配管內(nèi)經(jīng)與流量計內(nèi)經(jīng)不一致，可分為以下情況：

3.1、當管道實際內(nèi)經(jīng)大于儀表內(nèi)經(jīng)時，兩者之間的差值不超過流量計內(nèi)經(jīng)的3%，這時造成的誤差很小，對測量無影響，可無需修正。

3.2、當管道內(nèi)經(jīng)小于儀表內(nèi)經(jīng)，且兩者之差不超過流量計內(nèi)經(jīng)的2%時，產(chǎn)生的誤差較小，可通過對儀表系數(shù)的修正進行補償。

3.3、當管道內(nèi)經(jīng)與儀表內(nèi)經(jīng)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 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)來補償。此時需要流量計前后安裝足夠的與流量計內(nèi)經(jīng)一致的直管段或流量計前安裝流場優(yōu)化整流器，但安裝整流器后仍需一定的直管段。渦街流量計的安裝要點

    （1）選擇合理的安裝場所。如避開強電力設(shè)備、高頻設(shè)備、強電源開關(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，渦街流量計表頭水平安裝，對于振動較強的管系，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，流量計表頭向下安裝，或選用分體式流量計。

    （7）渦街流量計信號傳輸電線應(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，當對渦街流量計進行隔熱處理時，應(yīng)確保渦街流量計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，渦街流量計進口壓力要滿足要求：

     （4）

    Δp-渦街流量計的壓損；Pv-使用溫度下的液體的絕對飽和蒸汽壓。

圖3 渦街流量計直管段最小要求