摘要:針對(duì)目前應(yīng)力式渦街流量計(jì)在國(guó)內(nèi)石化行業(yè)使用中存在的一些問題，介紹了該流量計(jì)的測(cè)量原理和組成結(jié)構(gòu)，指出渦街發(fā)生體的幾何結(jié)構(gòu)、尺寸直接影響儀表K系數(shù)標(biāo)定結(jié)果。從實(shí)際使用的角度分析了介質(zhì)的流動(dòng)狀況及潔凈程度、溫度等因素變化對(duì)儀表K系數(shù)的影響，并提出相應(yīng)對(duì)策。討論了安裝環(huán)境、工藝條件以及管線配置等方面應(yīng)注意的問題，介紹了渦街流量計(jì)投入使用前在現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試與調(diào)試方法。
渦街流量計(jì)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種新型流量測(cè)量?jī)x表，首先在城市供水系統(tǒng)中得到應(yīng)用和發(fā)展，后逐步進(jìn)入煉油化工系統(tǒng)。渦街流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固，安裝維護(hù)方便。與孔板流量計(jì)相比，量程范圍大可達(dá)10:1至20:1),壓力損失小的為孔板流量計(jì)的1/4-1/2)，精度較高一般為測(cè)量值的±1%至±2%),適用于液體、氣體和蒸汽等多種介質(zhì)的測(cè)量。在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，輸出信號(hào)不受流體物性溫度、壓力、組分、粘度)的影響,已被各行各業(yè)所廣泛地采用。
某煉油廠近年來先后在70多個(gè)水、蒸汽、可燃?xì)怏w等計(jì)量回路中,使用了不同型號(hào)的國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口應(yīng)力式渦街流量計(jì)。渦街流量計(jì)具有其他流量計(jì)所不具備的許多優(yōu)點(diǎn)，從開發(fā)到大量生產(chǎn)投放市場(chǎng)僅20余年，目前仍處于發(fā)展階段，從理論和實(shí)踐上來看,基礎(chǔ)都較差，在日常使用中還存在較多的問題。通過分析應(yīng)力式渦街流量計(jì)的測(cè)量原理與結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步討論在使用中存在的問題與成因以及相應(yīng)的對(duì)策。
1.測(cè)量原理與結(jié)構(gòu)
渦街流量計(jì)是利用卡門渦街原理進(jìn)行測(cè)量的。實(shí)驗(yàn)證明卡門渦街的釋放頻率與流體的流動(dòng)速度和柱狀體的特征寬度有關(guān)。卡門渦街釋放頻率與流速成正比，因此通過測(cè)量卡門渦街頻率可以求得瞬時(shí)流量值。
對(duì)于儀表內(nèi)部形式固定的渦街流量計(jì)，儀表管道內(nèi)徑、旋渦發(fā)生體特征尺寸及斯特勞哈爾數(shù)已定，儀表系數(shù)是確定的。因此,只要正確測(cè)得渦街頻率，就可以正確地測(cè)量管道中介質(zhì)的體積流量。
應(yīng)力式渦街流量計(jì)通常由旋渦發(fā)生體、檢測(cè)元件、儀表表體和轉(zhuǎn)換器四個(gè)部分組成。金陵石化南京煉油廠使用的應(yīng)力式渦街流量計(jì)均采用三角柱旋渦發(fā)生體該形狀的旋渦發(fā)生體是目前應(yīng)用最為廣泛的一種),旋渦頻率是利用封裝在旋渦發(fā)生體內(nèi)部的壓電晶體作為檢測(cè)元件，借以感受旋渦分離時(shí)交替作用于旋渦發(fā)生體上不斷變化的橫向升力，升力的變化頻率就是旋渦頻率。
根據(jù)壓電效應(yīng)原理，壓電晶體上產(chǎn)生的電荷強(qiáng)度與橫向升力成正比，即在旋渦發(fā)生體的形狀、尺寸以及支承方式一定的情況下，壓電電荷強(qiáng)度與被測(cè)介質(zhì)的密度和流速的平方成正比。
應(yīng)力式渦街流量計(jì)分為滿管式和插入式兩種:滿管式有法蘭型、夾持型兩種安裝類型;插入式可帶球閥或不帶球閥安裝。
不同廠家的轉(zhuǎn)換器電路也不同，但其基本功能及思路是一致的。交變電荷信號(hào)被檢出后，首先經(jīng)高阻抗電荷放大器進(jìn)行放大,再經(jīng)噪聲濾波,并由斯密特觸發(fā)器檢波及整形，其頻率信號(hào)即可直接作為.信號(hào)輸出;也可根據(jù)用戶要求進(jìn)行f/V和V/f的轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生與頻率成正比的4-20mA模擬信號(hào)輸出。
2問題及對(duì)策
(1)僅表系數(shù)K的標(biāo)定及其影響因素與對(duì)策儀表系數(shù)K雖然受流體流速和粘度等的影響，但產(chǎn)生影響效果的卻是這些參數(shù)的組合一雷諾數(shù)Re,它決定了儀表系數(shù)K的線性范圍。
當(dāng)Re≥2x104時(shí)，在理論上儀表系數(shù)K是一個(gè)僅由儀表幾何結(jié)構(gòu)、尺寸所決定的常數(shù),不受流體溫度、壓力、密度、粘度、成分等性質(zhì)變化的影響，對(duì)于各種液體、氣體、蒸汽都有相同的數(shù)值。所以，理論上儀表的標(biāo)定系數(shù)在基本誤差范圍內(nèi)保持一致，具有通用性。
由于目前國(guó)內(nèi)許多生產(chǎn)廠家生產(chǎn)方式不規(guī)范，無標(biāo)定條件，使得生產(chǎn)的渦街流量計(jì)的K值無法得到保證且與實(shí)際值相差較大。實(shí)際使用中，影響儀表系數(shù)的因素及解決方法敘述如下:
①流速和粘度的變化
工業(yè)管道中絕大多數(shù)流體Re>2x104，滿足渦街流量計(jì)的正常測(cè)量范圍。如因某種原因使流體的流速降低和成)運(yùn)動(dòng)粘度升高，都將導(dǎo)致Re下降。當(dāng)Re<2x104時(shí)，K值會(huì)發(fā)生較大的變化，出現(xiàn)了非線性誤差。這在儀表選型、安裝上可以通過縮管來提高流速以增大Re值。當(dāng)管徑縮小為原來的1/n,Re可提高n倍。其次,因液體運(yùn)動(dòng)粘度是溫度的函數(shù)，當(dāng)溫度升高時(shí)粘度下降，同樣可使Re增大，從而確保正常流量落在儀表量程下限之上。
②堆積
如果被測(cè)介質(zhì)中存在粘性顆粒物質(zhì)或夾雜較多纖維狀物質(zhì)，則可能會(huì)逐漸堆積在三角柱發(fā)生體迎流面上,使其幾何形狀尺寸發(fā)生變化,使儀表系數(shù)K也隨之變化,產(chǎn)生附加測(cè)量誤差。為了減小這個(gè)誤差，在條件允許的情況下,可定期清除堆積物或?qū)Ρ粶y(cè)介質(zhì)進(jìn)行預(yù)處理。
③磨損
如果三角柱發(fā)生體兩棱邊因某種被測(cè)介質(zhì)作用而受到磨損，雖然儀表系數(shù)K對(duì)邊緣尖銳度的變化不像孔板流量計(jì)那樣敏感，但也會(huì)引起附加誤差。這就要求定期校驗(yàn)或更換一次表。
④溫度變化
儀表系數(shù)K通常在常溫20℃左右)下標(biāo)定,如果被測(cè)介質(zhì)的溫度較高或較低,與常溫相差較大，造成流通面積變化而引起附加誤差，因此對(duì)儀表系數(shù)K必須進(jìn)行補(bǔ)償修正。根據(jù)固體熱膨脹定律可得到修正系數(shù)K,的表達(dá)式:
Kt,=1-ax10-5(t-20)
式中:t-被測(cè)流體的溫度;a-儀表發(fā)生體材質(zhì)對(duì)應(yīng)的系數(shù)(不銹鋼、鑄鐵a=4.88,哈氏合金鋼C2a=3.40,鈦a=2.62)。
修正后的儀表系數(shù)為
K'=KtK=K[1-ax10-5(t-20)]
計(jì)算表明，當(dāng)t>100℃或t<100℃時(shí),有必要.進(jìn)行此項(xiàng)修正。
(2)安裝中存在的問題及其對(duì)策
應(yīng)力式渦街流量計(jì)是依據(jù)流體力學(xué)振動(dòng)現(xiàn)象中振動(dòng)頻率與流速的對(duì)應(yīng)關(guān)系工作。它對(duì)管道流速分布畸變、流動(dòng)脈動(dòng)及旋轉(zhuǎn)流十分敏感，同時(shí)由于其感.測(cè)元件為壓電晶體，各種機(jī)械振動(dòng)對(duì)輸出信號(hào)干擾較大,僅表抗振性差。因此現(xiàn)場(chǎng)安裝條件要求較高。
為了達(dá)到測(cè)量精度，渦街流量計(jì)必須保證一定的前后直管段,并盡量避免在靠近調(diào)節(jié)閥、半開閥和.截止閥后安裝流量計(jì);測(cè)壓點(diǎn)和測(cè)溫點(diǎn)應(yīng)分別在下游側(cè)距流量計(jì)中心線3.5D~5.5D和6D-8D;。
渦街流量計(jì)的表體安裝不良，如接管偏大、偏小、偏移有臺(tái)階)或墊片突入管道都會(huì)引起測(cè)量誤差。配管內(nèi)徑一般應(yīng)等于或略大于流量計(jì)的內(nèi)徑。如配管的實(shí)際內(nèi)徑略小于流量計(jì)的內(nèi)徑5%以內(nèi)),雖不會(huì)影響僅表的固有K系數(shù)，但因流通面積突變引起表觀流速變化而產(chǎn)生附加測(cè)量誤差，這可以通過修正K系數(shù)來補(bǔ)償。修正后的儀表系數(shù)為
K"=K（D2/D1）2
式中:Dt-儀表實(shí)際內(nèi)徑;D2-配管實(shí)際內(nèi)徑。
當(dāng)測(cè)量容易汽化的液體或工作條件接近臨界狀態(tài)的液體時(shí),為防止氣穴現(xiàn)象出現(xiàn)，設(shè)計(jì)安裝時(shí)必須確認(rèn)管道內(nèi)的最低壓力P'，這樣才能保證渦街流量計(jì)正常工作。p由下式計(jì)算:
p≥2.7△p+1.3po
△p≈1.1x10-6ρv2
式中:p-管道內(nèi)流體絕對(duì)壓力，MPa;△p-流體在.發(fā)生體前后的壓差，MPa;po-在工作溫度下流體的飽和蒸汽壓，MPa;ρ--工作條件下流體的密度，kg/m³，V-流動(dòng)流體的流速,m/s.
儀表使用中還要注意以下問題:
①安裝渦街流量計(jì)的位置要遠(yuǎn)離動(dòng)力設(shè)備和變化頻繁的閥門，如管線振動(dòng)較大，應(yīng)在流量計(jì)前、后2D處加裝固定支架以咸振;
②如管道流體的流速不穩(wěn)，可考慮在管線上增加穩(wěn)壓裝置或整流器來消除流速分布的不均勻現(xiàn)象;
③由于壓電晶體的靈敏度隨溫度升高而大幅度下降，應(yīng)避免在測(cè)量高溫介質(zhì)（≤250℃),特別是高低溫頻繁變化的介質(zhì)中使用;
④流量計(jì)的安裝位置應(yīng)避開較強(qiáng)的熱源、電場(chǎng)及磁場(chǎng),盡量選擇較好的工作環(huán)境。
(3)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中存在的問題及對(duì)策
由于應(yīng)力式渦街流量計(jì)使用時(shí)受現(xiàn)場(chǎng)安裝條件、環(huán)境條件、所測(cè)介質(zhì)的實(shí)際流動(dòng)狀況和流量計(jì)的自身因素等各方面影響很大,必須進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試,把各種因素的影響降到最低。方法如下:
①應(yīng)力式渦街流量計(jì)發(fā)生體中封裝的壓電晶體有單片和雙片裝兩種，它們通過專用引線接入到轉(zhuǎn)換器輸入端。斷開接點(diǎn)，用萬用表檢測(cè)每?jī)筛�之間、每根引線與表殼之間的電阻值應(yīng)≥20MQ.若有電阻值則說明探頭性能下降;若為電阻值為幾十千歐以下，則說明探頭可能損壞或?qū)Ｓ靡�受潮、被腐蝕。
②上述檢測(cè)均正常,再用物體輕敲探頭或表體，用示波器可觀察到不規(guī)則正弦波，或用萬用表交流電壓擋可測(cè)量到幅值100~200mV的交變信號(hào)，則說明探頭完好。
③NB調(diào)整時(shí)使用示波器一邊觀察電荷放大器輸出端的信號(hào)波形，一邊進(jìn)行調(diào)整。在流量為零時(shí)最易調(diào)整,在小流量時(shí)皎體流速<0.5m/s,氣體或蒸汽流速<8m/s)調(diào)整也可行。如用萬用表調(diào)整，在流量為零時(shí)使脈沖輸出為零或電流輸出為4mA。
④TLA調(diào)整起抑制振動(dòng)等干擾的作用。在NB調(diào)整效果不明顯時(shí)，需進(jìn)行TLA調(diào)整。TLA調(diào)整原則上使用示波器一邊觀察有源濾波電路的輸出端及脈沖放大電路的輸出端的信號(hào)波形，一邊進(jìn)行調(diào)整;在流量為零時(shí)調(diào)整至脈沖輸出為零;在小流量時(shí)液體流速<0.5m/s,氣體或蒸汽流速<8m/s)調(diào)整至脈沖輸出為規(guī)則的方波。
現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整非常重要，同時(shí)也應(yīng)該注意檢查儀表的接地是否完好，電源的電壓是否在規(guī)定的范圍內(nèi)，負(fù)載電阻大小，電纜線連接和絕緣性是否符合要求等。
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