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渦街流量計的設計、現場應用和現場常見故障及其處理方法

2019-07-23 11:54:29  |  人氣:1320
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江蘇安量儀表有限公司

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渦街流量計的設計及其現場應用和現場常見故障及其處理方法

1、渦街流量計及其優點

       中国渦街流量計生产发展迅速,全国有数十家生产厂,但无论是渦街流量計的理论研究还是实践经验均显不足。迄今基本的流量方程仍经常引用卡曼渦街理论,而此理论及其一些定量关系是卡曼在气体风洞(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其旋涡分离的规律不尽相同。目前渦街流量計广泛应用于输油管道、天然气管道、冶炼厂、水管道等复杂的工业现场。

  1878年斯特勞哈爾(Strouhal)發表了關于流體振動頻率與流速關系的論文,斯特勞哈爾數即表示旋渦頻率與阻流體特征尺寸、流速關系的相似准則。人們早期對渦街的研究主要用于防災,如防止因鍋爐及換熱器鋼管固有頻率與流體渦街頻率吻合産生共振而對設備之破壞。渦街流體振動現象用于測量的研究始于20世紀50年代,如風速計和船速計等。60年代末開始研制封閉管道流量計——渦街流量計,誕生了熱絲檢測法及熱敏檢測法渦街流量計。20世紀70、80年代渦街流量計發展異常迅速,開發出衆多類型阻流體及檢測法的渦街流量計,並大量生産投放市場。

  渦街流量計是在流體中安放一根非流線型阻流體,流體在阻流體兩側交替地分離釋放出兩串規則的旋渦,在一定的流量範圍內,旋渦分離頻率正比于管道內的平均流速,通過采用各種形式的檢測元件測出旋渦頻率,即可推算出流體的流量。在特定的流動條件下,一部分流體動能轉化爲流體振動,其振動頻率與流速(流量)有確定的比例關系,根據這種原理工作的流量計稱爲流體振動流量計。目前流體振動流量計有三类:渦街流量計、旋進(旋渦進動)流量計和射流流量計。渦街流量計具有以下一些優點[1]。

  ①輸出爲脈沖頻率,其頻率與被測流體的實際體積流量成正比,不受流體組分、密度、壓力及溫度的影響;
② 测量范围宽,一般达10:1以上;
③ 精确度为中上水平;
④ 无运动部件,可靠性高;
⑤ 结构简单牢固,安装方便,维护费较低;
⑥ 应用范围广泛,可适用于液体、气体和蒸气。

2、渦街流量計的工作原理

  在流体中设置旋涡发生体(阻流体),从旋涡发生体两侧交替地产生有规则的旋涡,这种旋涡称为卡曼渦街(见图1),旋涡列在旋涡发生体下游非对称地排列。根据卡曼渦街原理,有如下关系式[2]:

  

  式中    m-旋涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比;D-表体通径,mm;d-旋涡发生体迎面宽度,mm;f-旋涡的发生频率,Hz;U1-旋涡发生体两侧平均流速,m/s;Sr-斯特劳哈尔数;U-被测介质的平均流度,m/s。

 

  管道內體積流量qv爲:

  

  式中K-流量計的仪表系数,脉冲数/m3即:P/m3。

  除与旋涡发生体、管道的几何尺寸有关外,还与斯特劳哈尔数有关。斯特劳哈尔数为无量纲参数,它与旋涡发生体的形状及雷诺数有关,图2所示为圆柱状旋涡发生体的斯特劳哈尔数与管道雷诺数的关系图。由图2可见,在ReD=2×104~7×106范围内,斯特劳哈尔数可视为常数,这是仪表正常工作范围。当测量气体流量时,渦街流量計的流量計算式为:

  

  式中qvn,qv-分别为标准状态下(0℃或20℃ ,101.325kPa)和工况下的体积流量,m3/h;pn,p-分别为标准状态下和工况下的压力,Pa;Tn,T-分别为标准状态下和工况下的热力学温度,K;Zn,Z-分别为标准状态下和工况下气体压缩系数。

 

  由式(5)可见,渦街流量計输出的脉冲频率信号不受流体物性和组分变化的影响,即仪表系数在一定雷诺数范围内仅与旋涡发生体及管道的形状尺寸等有关。但是作为流量計,在物料平衡及能源计量中需检测质量流量,这时流量計的输出信号应同时监测体积流量和流体密度,流体物性和组分对流量計量有直接影响。

  渦街流量計由传感器和转换器两部分组成(见图3)。传感器包括旋涡发生体(阻流体)、检测元件和仪表表体等;转换器包括前置放大器、滤波整形电路、D/A转换电路、输出接口电路、端子、支架和防护罩等。近年来,智能式流量計将微处理器、显示通讯及其他功能模块设置在转换器内。

 

  旋渦發生體是檢測器的主要部件,它與儀表的流量特性(儀表系數、線性度、範圍度等)和阻力特性密切相關,對其要求如下。

  ① 能够控制旋涡在旋涡发生体轴线方向上的同步分离;
② 在较宽的雷诺数范围内,有稳定的旋涡分离点,保持恒定的斯特劳哈尔数;
③ 能够产生强烈的渦街,信号的信噪比高;
④ 形状和结构简单,便于加工和几何参数标准化以及各种检测元件的安装和组合;
⑤ 材质应满足流体性质的要求,耐腐蚀,耐磨蚀,耐温度变化;
⑥ 固有频率在渦街信号的频带外。

  目前,国内外已经开发出形状繁多的旋涡发生体,可以分为单旋涡发生体和多旋涡发生体两类(见图4)。单旋涡发生体的基本形状有圆柱、矩形柱和三角柱,其他形状皆为这些基本形的变形。其中应用广泛的是三角柱形旋涡发生体(见图5)[3]。为了提高渦街强度和稳定性,可采用多旋涡发生体,但其应用并不普遍。

 

   

3、渦街流量計在现场的应用

  3.1 现场应用

  渦街流量計适用的流体比较广泛,但不适用于测量低雷诺数(ReD≤2×104)流体。低雷诺数时,斯特劳哈尔数随着雷诺数而变,仪表线性度变差,流体粘度高,显著影响甚至阻碍旋涡的产生,同时对于流体的脏污性质有要求。含固体微粒的流体对旋涡发生体的冲刷会产生噪声,对旋涡发生体产生磨损。若含有的短纤维缠绕在旋涡发生体上,将改变仪表系数。渦街流量計在混相流体中的应用如下:

  ① 可以用于含分散、均匀的微小气泡,但容积含气率应小于7%~10%的气、液两相流,若容积含气率超出2%,应对仪表系数进行修正。
② 可以用于含分散、均匀的固体微粒,含量不大于2%的气固、液固两相流。
③ 可以用于互不溶解的液液(如油和水)两组分流等。

  脉动流和旋转流将对渦街流量計产生严重影响。如果脉动频率与渦街频率吻合,将可能引起谐振,破坏正常工作和设备,使渦街信号产生“锁定(1ock-in)”现象,这时信号固定于某一频率。“锁定”与脉动幅值、旋涡发生体形状及堵塞比等有关。

  渦街流量計的精确度对于液体大致为士(0.5%~±2%)R,对于气体为士(1%~±2%)R,重复性一般为0.2%~0.5%。由于渦街流量計的仪表系数较低,频率分辨率低,口径愈大,精度愈低,故仪表口径不宜过大(DN300以下[4])。

  范围度宽是渦街流量計的优点,量程下限的流量数值更为重要。一般液体平均流速下限为0.5m/S,气体为4~5m/s[5]。渦街流量計的正常流量在正常测量范围的1/2~2/3处。

  渦街流量計的优点是仪表系数不受测量介质物性的影响,可以用一种典型的介质进行校验而应用于其他介质,为解决校验设备问题提供了便利。但由于液、气的流速范围差别很大,导致频率范围差别亦很大。在处理渦街信号的放大器电路中,滤波器的通带不同,电路参数亦不同,因此,同一电路参数不能用于测量不同的介质。介质改变后,电路参数亦应随之改变。

  另外,气体和液体的密度差别很大,旋涡分离时产生的信号强度与密度成正比。因此信号强度差别亦很大,液、气放大器电路的增益、触发灵敏度等皆不相同,压电电荷差别大,电荷放大器的参数也不同。即使同为气体(或液体、蒸汽等),随着介质压力、温度或密度的不同,使用的流量范围不同,信号强度亦不同,电路参数同样要改变。因此一台渦街流量計不经硬件或软件修改,仅改变使用介质或仪表口径是不可行的。

  渦街流量計在水处理、输油管道等工业现场的应用十分广泛。例如:北京东方化工厂在公用工程系统中使用了22台LUGB型渦街流量計以及配套的KSJ型流量积算仪,包括水处理和水二次循环,水处理主要为开工锅炉提供脱盐水,为乙烯和环氧乙烷提供精制水,为水二次循环提供软化脱碱水;水二次循环主要为乙烯、环氧乙烷、开工锅炉和水站提供循环冷却水。在该项工程中,渦街流量計接受流量积算仪的12VDC供电,采用压电晶体元件检测旋涡分离频率。安装在柱体内部的探头体感受旋涡在柱体后部两侧产生的压力脉冲,埋设在探头体内部的压电晶体元件感受到这一应变力的作用,产生交变电荷,经传感器处理后,输出一定幅度的脉冲信号给二次仪表。脉冲信号与流经管道的流量成比例,比例关系由渦街流量計的仪表系数决定,仪表系数一般由厂家标定。

  流量积算仪是以MCS51系列单片机8031为主体的流量显示仪表,在接受到这一脉冲信号后,一方面由指针式电流表显示瞬时流量,且由8位数码显示累计流量或累计时间,另一方面可以输出4~20mA或0~10mA的信号供调节器或记录仪使用。流量积算仪根据渦街流量計的仪表系数及流量量程进行参数设定。

  3.2 安装注意事项

  渦街流量計属于对管道流速分布畸变、旋转流和流动脉动等敏感的流量計,因此,应充分重视现场管道的安装条件,严格遵照使用说明书。

  渦街流量計可以安装在室内或室外。如果安装在地井,为了防止被水淹没,应选用涎水型传感器。传感器在管道上可以水平、垂直或倾斜安装,但测量液体和气体时,为了防止气泡和液滴的干扰,安装位置需注意(见图6)。

  渦街流量計必须保证上、下游直管段有必要的长度(见图7)。

  傳感器與管道的連接見圖8。在與管道連接時,要注意以下問題。

  ①上、下遊配管內徑D與傳感器內徑D′相同,其差異滿足下述條件:0.95D≤D′≤1.1D。
②配管應與傳感器同心,同軸度小于0.05D′。
③密封墊不能凸人管道內,其內徑可比傳感器內徑大1~2mm。
④如需斷流檢查或清洗傳感器,應設置旁通管道(見圖9)[6]。

 

 

 

 

  ⑤现场安装时减小振动对渦街流量計的影响值得关注。应尽量避开振动源,采用弹性软管在小口径中连接,并加装管道支撑物。一种管道支撑方法见图10[7]。

 

  成套安裝包括前後直管段,流動調整器是保證獲得高精確度測量的措施,在制造廠進行裝配則更能保證安裝質量。圖11爲一安裝實例。

 

  電氣安裝應注意,在傳感器與轉換器之間采用蔽電纜或低噪聲電纜連接,距離不應超過使用說明書的規定。布線時應遠離強功率電源線,盡量采用單獨金屬套管保護。應遵循“一點接地”原則,接地電阻小于10Ω。整體型和分離型均應在傳感器側接地,轉換器外殼接地點應與傳感器“同地”。

  3.3 现场常见故障、原因及排除方法

  渦街流量計有多种检测方式,传感器与测量电路差别亦较大,但渦街流量計常见的故障具有共性(见表1)。

表1 渦街流量計故障及其處理方法

 

 

 

故障現象

可能原因

處理方法

通電後無流量
時有輸出信號

①輸入屏蔽或接地不良,引入電磁幹擾
②儀表靠近強電設備或高頻脈沖幹擾源
③管道有較強振動
④轉換器靈敏度過高

①改善屏蔽與接地,排除電磁幹擾
②遠離幹擾源安裝,采用隔離措施加強電磁濾波
③采取減震措施,加強信號濾波,降低放大器靈敏度
④降低靈敏度,提高觸發電平

通電通流後
無輸出信號

①電源出現故障
②輸入信號線斷線
③放大器某級有故障
④檢測元件損壞

⑤無流量或流量過小
⑥管道堵賽或傳感器被卡死

①檢測電源與接觸
②檢查信號線與接線端子
③檢測工作點,檢查元器件
④檢查傳感器及引線,檢查閥門,增大流量或縮小管徑

⑤檢查清理管道,清洗傳感器

輸出信號不
規則不穩定

①有較強電幹擾信號
②傳感器被沾汙或受損,靈敏度降低
③傳感器靈敏度過高
④傳感器受損或引線接觸不良

⑤出現兩相流或脈動流
⑥管道震動的影響
⑦工藝流程不確定
⑧傳感器安裝不同心或密封墊凸入管內
⑨上、下遊閥門擾動
⑩液體未充滿管道

①加強屏蔽和接觸
②清洗或更換傳感器,提高放大器增益
③降低增益,提高觸發電平
④檢查傳感器及引線

⑤加強工藝流程,消除兩相流或脈動流現象
⑥采取減震措施
⑦調整安裝位置
⑧檢查安裝情況,改正密封墊內徑
⑨加長直管段或加裝流動調整器
⑩更換安裝流量傳感器地點和方式

測量信號誤差大

①直管段長度不足
②模擬轉換電路零漂或滿量程調整不對
③供電電壓變化過大
④儀表超過檢定周期

⑤傳感器與配管內徑差異較大
⑥安裝不同心或密封墊凸入管內
⑦傳感器沾汙或損傷
⑧有兩相流或脈動流
⑨管道泄漏

①加長直管段或加裝流動調整器
②校正零點和量程刻度
③檢查電源
④及時送檢

⑤檢查配管內徑,修正儀表系數
⑥調整安裝,修整密封墊
⑦清洗更換傳感器
⑧排除兩相流或脈動流
⑨排除泄漏

測量管泄漏

①管內壓力過高
②公稱壓力選擇不對
③密封件損壞
④傳感器被腐蝕

①調整管壓,更改安裝位置
②選用高一檔公稱壓力傳感器
③更換密封件
④采取防腐蝕和保護夜流壓力

傳感器發出
異常嘯叫聲

①流速過高,引起強烈顫動
②産生氣穴現象
③發生體松動

①調整流量或更換通徑大的儀表
②調整流量和增加液流壓力
③緊固發生體

  4 结束语

  中国在20世纪80年代即制订了渦街流量計标准(ZBN 12008-1989)和检测规程(JJG 620-1989),在众多的流量計中,渦街流量計的购置费低于质量式、电磁式、容积式等,安装、运行、维护费低于节流式、容积式、涡轮式等,是一种经济性较好、较实用的流量計。渦街流量計结构简单牢固,安装维护方便,尤其适用于冶炼厂、化工厂、输油管道等工业现场的使用。

 

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