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渦街流量計儀表系數(shù)變化原因與解決方案
發(fā)布時間:2018-11-08

  摘要渦街流量計儀表系數(shù)變化的因素主要有溫度、雷諾數(shù)、管徑差異、旋渦發(fā)生體阻流件尺寸的改變,通過對以上因素進(jìn)行詳細(xì)分析,給出解決措施。
0引言
  渦街流量計是根據(jù)卡門渦街原理研制成的一種流體振蕩式流量測量儀表。由于其具有精度高、測量量程寬、結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、可靠性好,其輸出的脈沖頻率信號與流量測量值成正比、無零點漂移,且脈沖頻率信號不受流體組分、密度、壓力、溫度的影響,廣泛應(yīng)用于各種氣體、液體及蒸汽介質(zhì)流量的測量。但在實際使用中,由于各種因素的影響,會使其儀表系數(shù)發(fā)生變化。
1工作原理
  在流體中安放旋渦發(fā)生體,流體在旋渦發(fā)生體下游兩側(cè)交替地分離釋放出兩列有規(guī)律的交替排列的旋渦,在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi),該旋渦的頻率與旋渦發(fā)生體的幾何尺寸、管道的幾何尺寸有關(guān),旋渦的頻率正比與流量,此頻率可由探頭檢出。
f=Sr×v/b(1)
  式中:b為阻流件的寬度,m;v為經(jīng)流量計的流體平均流速,m/s;f為旋渦的頻率,Hz;Sr為斯特羅哈爾數(shù)。
渦街流量計一段時間內(nèi)輸出的脈沖數(shù)與流過流體的體積量之比,稱為儀表系數(shù),用K來表示:
K=N/Q(2)
式中:K為儀表系數(shù),(m3)-1;N為體積總量對應(yīng)的脈沖數(shù);Q為體積總量,m3。
當(dāng)渦街流量計用來測量瞬時流量時:
qv=f×3600/K(3)
K=f×3600/qv(4)
式中:qv為體積流量值,m3/h。
  由以上公式可知,儀表系數(shù)K一但發(fā)生變化,將直接影響到流量測量的正確率。儀表系數(shù)K一般由實驗室通過氣體或液體實標(biāo)得到,但渦街流量計在現(xiàn)場使用時,由于各種因素的影響,其儀表系數(shù)也會相應(yīng)的發(fā)生變化。為了提高流量測量的正確率,有必要對引起儀表系數(shù)變化的因素進(jìn)行分析并提出解決措施。
2溫度對渦街流量計儀表系數(shù)的影響
  流體溫度變化通過兩個因素對渦街流量計的儀表系數(shù)產(chǎn)生影響。一是溫度變化后,旋渦發(fā)生體阻流件的寬度b也會相應(yīng)變化,流體以相同流速經(jīng)過旋渦發(fā)生體時,其輸出的頻率也會相應(yīng)的增加或降低;二是溫度變化后,渦街流量計的管道內(nèi)徑也有變化,其截面積會相應(yīng)的增大或減小,當(dāng)相同體積的流體流過流量計時,流速會降低或增加。
上述變化可通過數(shù)學(xué)方法進(jìn)行分析。流速與渦街流量計管道內(nèi)徑的關(guān)系為:

  由于b的增量與溫度成正比,D的增量也與溫度成正比,所以儀表系數(shù)K與溫度增量的三次方成反比。溫度對儀表系數(shù)的影響可通過以下公式進(jìn)行修正:

  式中:Kt為流體溫度為t時的儀表系數(shù),(m3)-1;K0為流量計標(biāo)定時t0時的平均儀表系數(shù),(m3)-1;βD為流量計測量管材質(zhì)線膨脹系數(shù),℃-1;βb為旋渦發(fā)生體材質(zhì)線膨脹系數(shù),℃-1;t為流量計工作時溫度,℃;t0為流量計標(biāo)定時溫度,℃。
當(dāng)流量計測量管與旋渦發(fā)生體材質(zhì)相同時,即
βD=βb=β,上式變?yōu)椋?br /> Kt=[1-3β(t-t0)]K0(7)
  國產(chǎn)流量計一般采用不銹鋼材質(zhì)制造,其線膨脹系數(shù)約在17×10-6/℃左右,表1給出了流量計采用不銹鋼材質(zhì)在不同溫度下系數(shù)的變化。

  由表1可以看出,當(dāng)流體溫度大于100℃時,儀表系數(shù)的變化是可觀的,當(dāng)渦街流量計是用來測量飽和蒸汽(170℃)和過熱蒸汽(280℃)時,由于儀表系數(shù)變化引起的誤差將大大降低測量的精度。
  解決此問題的方法一是按照流體的實際溫度重新計算儀表系數(shù),二是用于測量飽和蒸汽和過熱蒸汽等溫度過高的流體時,用實際流體(蒸汽)的溫度來進(jìn)行儀表系數(shù)的標(biāo)定。
3雷諾數(shù)對渦街流量計儀表系數(shù)的影響
  渦街流量計的斯特羅哈爾數(shù)(Sr)是管道雷諾數(shù)(Re)的函數(shù),Sr是通過試驗確定的無因次數(shù),其與Re的關(guān)系如圖1所示。
  由圖1可知,只有當(dāng)Re達(dá)到一定數(shù)值時,即Re在2×104~7.2×106,Sr才能進(jìn)入其恒定范圍,曲線的平直部分對應(yīng)渦街流量計的正常測量流量的范圍,在此范圍內(nèi),Sr基本不變,渦街頻率與流速成正比,此時,只要確定旋渦發(fā)生體和管道的幾何尺寸,儀表系數(shù)就不會發(fā)生改變。
渦街流量計斯特羅哈爾與雷諾數(shù)關(guān)系曲線圖
  當(dāng)Re小于5×103時,渦街頻率將不能發(fā)生或不能穩(wěn)定的發(fā)生。此范圍就不適合進(jìn)行流量測量了。
  當(dāng)Re在5×103~2×104范圍內(nèi)時,渦街頻率也能穩(wěn)定的發(fā)生,但Sr增大了,儀表系數(shù)也相應(yīng)增大,從而影響了測量的精度。此時,需對儀表系數(shù)進(jìn)行校正才能保證測量的精度。
  由以上分析可知,正確的使用流量計,要正確地確定流量計的下限流量范圍,下限雷諾數(shù)一般為2×104,其對應(yīng)的下限流速一般氣體為4~5m/s,液體為0.4~0.5m/s。因此一般確定下限流量應(yīng)保證介質(zhì)流速大于上述流速。
當(dāng)介質(zhì)粘度、密度與常用介質(zhì)相差較大時,應(yīng)進(jìn)行雷諾數(shù)計算。當(dāng)發(fā)現(xiàn)渦街流量計使用在低雷諾數(shù)(5×103~2×104)范圍內(nèi)時,或希望渦街流量計有較大的量程比時,為保證測量的精度,應(yīng)對儀表系數(shù)進(jìn)行校正。
  為了提高低雷諾數(shù)區(qū)域渦街流量計的測量精度,可通過實驗室對流量計的標(biāo)定,獲得各個區(qū)域的儀表系數(shù)。標(biāo)定時,對低雷諾數(shù)區(qū)域各點的流量進(jìn)行標(biāo)定,計算出各個區(qū)域的平均儀表系數(shù),然后與正常的儀表系數(shù)相比,這就是校正系數(shù),將校正系數(shù)與雷諾數(shù)一一對應(yīng)。實際使用時,根據(jù)現(xiàn)場的實際參數(shù)計算出相應(yīng)的雷諾數(shù),并用內(nèi)插法計算出雷諾數(shù)對應(yīng)的校正系數(shù),從而實現(xiàn)對儀表系數(shù)的校正。YF100系列渦街流量計在低雷諾數(shù)范圍內(nèi)的校正系數(shù)如表2所示。
  雷諾數(shù)影響的校正一般有兩種方法。一是在流量計的二次儀表中進(jìn)行,適用于渦街流量計本身無校正能力的測量系統(tǒng)。二是在渦街流量傳感器(變送器)中進(jìn)行,適用于渦街流量計本身有校正能力的測量系統(tǒng)。

  當(dāng)雷諾數(shù)大于7.2×106,其對應(yīng)的上限流速一般氣體大于80m/s,液體大于8m/s時,流量計會出現(xiàn)漏脈沖現(xiàn)象,即流速大于上限流速后,渦街流量計輸出的頻率與流速成正比的關(guān)系被破壞,且流速越高,漏脈沖現(xiàn)象越嚴(yán)重,流量計示值越低。
4管道內(nèi)徑與渦街流量計測量管內(nèi)徑不同時對儀表系數(shù)的影響
  名義尺寸相同的無縫鋼管,由于壁厚規(guī)格差異大,內(nèi)徑也會產(chǎn)生較大差異,這使連接渦街流量計的管道內(nèi)徑與渦街流量計測量管內(nèi)徑完全一致的并不多。
4.1管道內(nèi)徑比測量管內(nèi)徑大(3%以內(nèi))時的影響
  在實際標(biāo)定中發(fā)現(xiàn),當(dāng)管道內(nèi)徑比測量管內(nèi)徑略大時,流量示值穩(wěn)定,儀表系數(shù)正常。雖然流體流過臺階時也有二次流產(chǎn)生,但因二次流存在的部件在測量管之外,所以對流量計的影響不明顯。
4.2管道內(nèi)徑比測量管內(nèi)徑。3%以內(nèi))時的影響
  當(dāng)流體以很高的流速從管道流經(jīng)內(nèi)徑較大的測量管時,由于慣性作用,流束來不及膨脹,撞擊在旋渦發(fā)生體上,引起二次流,使得流量示值偏高。此誤差可通過修正系數(shù)FD進(jìn)行修正:

4.3管道內(nèi)徑與測量管內(nèi)徑相差較大時的影響
  當(dāng)二者相差較大時,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儀表系數(shù)的修正來補(bǔ)償。此時,需要對原有管道進(jìn)行改造,安裝同心異徑管,使之與流量計測量管內(nèi)徑相匹配,或按照管道尺寸定制流量計。
5旋渦發(fā)生體阻流件尺寸的改變對儀表系數(shù)的影響
  在下列兩種情況下,旋渦發(fā)生體阻流件的尺寸會發(fā)生改變。
1)旋渦發(fā)生體阻流件有堆積物
  如果被測流體中存在黏性顆;驃A雜著較多纖維狀物質(zhì)時,則可能會堆積在旋渦發(fā)生體阻流件上,使其幾何形狀和尺寸發(fā)生變化,因而儀表系數(shù)也會發(fā)生變化。據(jù)相關(guān)模擬試驗結(jié)果,當(dāng)阻流件上堆積物厚度為0.01D時,附加誤差為2%,堆積物厚度為0.
2)旋渦發(fā)生體阻流件有磨損
  渦街流量計旋渦發(fā)生體阻流件的兩條棱邊正常情況下是銳利的,如果流體中含有固形物,長期使用后其銳緣很容易被磨損而變成圓弧,由于阻流件幾何形狀和尺寸發(fā)生變化,因而儀表系數(shù)也會發(fā)生變化。
  一旦發(fā)現(xiàn)阻流件有堆積物時,應(yīng)及時清除。當(dāng)發(fā)現(xiàn)旋渦發(fā)生體阻流件有磨損時,應(yīng)對流量計的儀表系數(shù)進(jìn)行重新標(biāo)定,當(dāng)磨損特別嚴(yán)重時,應(yīng)考慮更換旋渦發(fā)生體。
6結(jié)束語
  以上就是一些影響渦街流量計儀表系數(shù)變化的因素,我們能做的就是注意這些可能發(fā)生的因素,并加以改善,盡量避免這些現(xiàn)象的產(chǎn)生,從而提高渦街流量計測量的正確率。

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