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单旋涡发生体的基本形有圆柱、矩形柱和三角柱,其他形状皆为这些基本形的变形。
三角柱形旋涡发生体是应用最广泛的一种,如图5所示。
图中D为仪表口径。
为提高涡街强度和稳定性,可采用多旋涡发生体,不过它的应用并不普遍。
⑵检测元件
流量计检测旋涡信号有5种方式。
1)用设置在旋涡发生体内的检测元件直接检测发生体两侧差压;
2)旋涡发生体上开设导压孔,在导压孔中安装检测元件检测发生体两侧差压;
3)检测旋涡发生体周围交变环流;
4)检测旋涡发生体背面交变差压;
5)检测尾流中旋涡列。
根据这5种检测方式,采用不同的检测技术(热敏、超声、应力、应变、电容、电磁、光电、光纤等)可以构成不同类型的VSF,如表1所示。
表1旋涡发生体和检测方式一览表
序号
旋涡发生体截面形状
传感器
检测方式
检测元件
1
方式5)
超声波束
9
方式2)
反射镜/光电元件
2
方式3)
方式1)
悬臂梁/电容,悬臂梁/压电片
热敏元件
超声波束
应变元件
10
膜片/压电元件
11
扭力管/压电元件
3
压电元件
12
方式4)
4
膜片/电容
振动体/电磁传感器
13
振动片/光纤传感器
14
5
膜片/静态电容
15
6
磁致伸缩元件
16
7
17
8
18
⑶转换器
检测元件把涡街信号转换成电信号,该信号既微弱又含有不同成分的噪声,必须进行放大、滤波、整形等处理才能得出与流量成比例的脉冲信号。
不同检测方式应配备不同特性的前置放大器,如表2所列。
表2检测方式与前置放大器
检测方法
热敏式
超声式
应变式
应力式
电容式
光电式
电磁式
前置放大器
恒流放大器
选频放大器
电荷放大器
调谐-振动放大器
光电放大器
低频放大器
三、优点和局限性
1.优点
VSF结构简单牢固,安装维护方便(与节流式差压流量计相比较,无需导压管和三阀组等,减少泄漏、堵塞和冻结等)。
适用流体种类多,如液体、气体、蒸气和部分混相流体。
精确度教高(与差压式,浮子式流量计比较),一般为测量值的(±
1%~±
2%)R。
范围宽度,可达10:
1或20:
1。
压损小(约为孔板流量计1/4~1/2)。
输出与流量成正比的脉冲信号,适用于总量计量,无零点漂移;
在一定雷诺数范围内,输出频率信号不受流体物性(密度,粘度)和组分的影响,即仪表系数仅与旋涡发生体及管道的形状尺寸有关,只需在一种典型介质中校验而适用于各种介质,仪表的适应性强。
VSF在各种流量计中是一种较有可能成为仅需干式校验的流量计。
2.局限性
VSF不适用于低雷诺数测量(ReD≥2×
104),故在高粘度、低流速、小口径情况下应用受到限制。
旋涡分离的稳定性受流速分布畸变及旋转流的影响,应根据上游侧不同形式的阻流件配置足够长的直管段或装设流动调整器(整流器),一般可借鉴节流式差压流量计的直管段长度要求安装。
力敏检测法VSF对管道机械振动较敏感,不宜用于强振动场所。
与涡轮流量计相比仪表系数较低,分辨率低,口径愈大愈低,一般满管式流量计用于
DN300以下。
仪表在脉动流、混相流中尚欠缺理论研究和实践经验。
四、分类与凡种类型产品简介
1.分类
涡街流量计可按下述原则分类。
按传感器连接方式分为法兰型和夹装型。
按检测方式分为热敏式、应力式、电容式、应变式、超声式、振动体式、光电式和光纤式等。
按用途分为普通型、防爆型、高温型、耐腐型、低温型、插入式和汽车专用型等。
按传感器与转换器组成分为一体型和分离型。
按测量原理分为体积流量计、质量流量计。
2.几种类型产品简介
各类涡街流量计性能比较如表3所示。
表3不同检测方法涡街流量计比较
名称
检测变化量
检测技术
口径/mm
介质温度/oC
范围度
雷诺数范围
简单程度
牢固程度
灵敏度
耐热性
耐振性
耐污能力
应用范围
检测原理
热敏式涡街流量计
流
速
变
化
加热体冷却
25~200
-196~205
15~30
104~106
△
√
×
清洁、无腐蚀液体、气体
超声式涡街流量计
声束被调制
超声换能器
25~150
-15~175
30
3×
103~106
小口径液体、气体
电容式涡街流量计
压
力
变化
压差作用
压差检测
15~300
-200~400
液体、气体、蒸汽
应力式涡街流量计
膜片/压电片
50~200
-18~205
振动体式涡街流量计
圆盘/电磁
-268~-48
10~30
5×
极低温液态气体
棱球/电磁
-40~427
高温蒸汽
光电式涡街流量计
40~80
-10~50
40
103~105
低压常温气体
应变式涡街流量计
升力作用
应变检测
50~150
-40~120
104~3×
106
液体
应力检测
-40~400
10~20
注∶√-较好、△-一般、×
-差。
下面简介几种类型VSF。
⑴应力式VSF
应力式VSF应用检测方式1)~4)(见二、2.),它把检测元件受到的升力以应力形式作用在压电晶体元件上,转换成交变的电荷信号,经电荷放大、滤波、整形后得到旋涡频率信号。
压电传感器响应快、信号强、工艺性好、制造成本低、与测量介质不接触、可靠性高。
仪表的工作温度范围宽,现场适应性强,可靠性较高,它是目前VSF的主要产品类型。
但是,它对管道振动较敏感,是其主要缺点,几年来,生产厂家做了大量工作以弥补此缺陷:
如对仪表本身结构,检测位置以及信号处理等采取措施;
在管道安装减震方式下功夫;
向用户提供选点咨询指导等,已经取得一定的进展,当然如测量对象有较强的振动还是不用为好。
(2)电容式VSF
电容式VSF应用检测方式1)、2),安装在涡街流量传感器中的电容检测元件相当于一个悬臂梁(见图10)。
当旋涡产生时,在两侧形成微小的压差,使振动体绕支点产生微小变形,从而导致一个电容间隙减少(电容量增大),另一个电容间隙增大(电容量下降),通过差分电路检测电容差值。
当管道有振动时,不管振动是何方向,由振动产生的惯性力同时作用在振动体及电极上,使振动体与电极都在同方向上产生变形,由于设计时保证了振动体与电极的几何结构与尺寸相匹配,使它们的变形量一致,差动信号为零。
这就是电容检测元件耐振性能好的原因。
虽然由于制造工艺的误差,不可能完全消除振动的影响,但大大提高了耐振性能。
试验证明,其耐振性能超过1g。
电容式另一个优点是可耐高温达400oC,温度对电容检测元件的影响有两方面:
温度使电容间介电常数发生变化和电极的几何尺寸随温度而变,这些导致电容值发生变化,另一方面由于温度升高金属热电子发射造成电容的漏电流增大。
试验证明,当温度升高至400oC时无论电容值变化或漏电流增大都未影响仪表的基本性能。
⑶热敏式VSF
热敏式VSF采用检测方式2)、3),如图11所示。
旋涡分离引起局部流速变化,改变热敏电阻阻值,恒流电路把桥路电阻变化转换为交变电压信号。
这种仪表检测灵敏度较高,下限流速低,对振动不敏感,可用于清洁、无腐蚀性流体测量。
⑷超声式VSF
超声式VSF采用检测方式5),如图12所示。
由图可见,在管壁上安装二对超声探头T1,R1,T2,R2,探头T1,T2发射高频、连续声信号,声波横穿流体传播。
当旋涡通过声束时,每一对旋转方向相反的旋涡对声波产生一个周期的调制作用,受调制声波被接收探头R1,R2转换成电信号,经放大、检波、整形后得旋涡信号。
仪表有较高检测灵敏度,下限流速较低,但温度对声调制有影响,流场变化及液体中含气泡对测量影响较大,故仪表适用于温度变化小的气体和含气量微小的液体流量测量。
⑸振动体式VSF
振动体式VSF采用检测方式2),如图13所示。
在旋涡发生体轴向开设圆柱形深孔,孔内放置软磁材料制作的轻质空心小球或圆盘(振动体),旋涡分离产生的差压推动振动体上下运动,位于振动体上方的电磁传感器检测出旋涡频率。
它只适用于清洁度较高的流体(如蒸汽),可用于极高温(427oC)及极低温(-268oC),这是其特点。
⑹升力式涡街质量流量计
旋涡分离的同时,旋涡发生体受到流体作用的升力,升力F的大小为
F=CLρU2/2 式中CL-旋涡发生体升力系数。
以式(5)除以式
(1),经整理后可得质量流量qm
qm=ρU(π/4)D2=πD2Sr/2CLmd×
F/f
由上式可看出,质量流量qm与升力F成正比。
图14为原理框图。
从压电检测元件取出旋涡信号,经电荷转换器后分两路处理:
一路经有源滤波器、施密特整形器和f/V转换器,获得与流速成正比的信号;
另一路经放大器、滤波器获得信号幅值与ρU2成正比的信号。
这两路信号经除法器运算,获得质量流量。
该方法结构简单,但信号幅值与压电元件稳定性、放大器稳定性、现场安装条件、被测介质温度等多种因素有关,测量精确度难以提高。
⑺差压式涡街质量流量计
流体通过旋涡发生体,产生旋涡分离和尾流震荡,部分能量被消耗和转换,在旋涡发生体前后产生压力损失
△p=CDρU2/2 式中 CD-涡街流量传感器阻力系数。
以式(7)除式
(1),经整理后得质量流量qm
qm=ρU(π/4)D2=(πD2Sr/2mdCD)(△p/f)
传感器输出与体积流量成正比的频率,差压单元测出旋涡发生体前后特定位置的差压△P,经计算单元计算,获得质量流量qm。
选择阻力特性和流量特性俱佳的旋涡发生体,确定取压孔位置,建立CD的数学模型是技术关键。
卡门涡街的产生与现象
为说明卡门涡街的产生,我们来考虑粘性流体绕流圆柱体的流动.当流体速度很低时,流体在前驻点速度为零,来流沿圆柱左右两侧流动,在圆柱体前半部分速度逐渐增大,压力下降,后半部分速度下降,压力升高,在后驻点速度又为零.这时的流动与理想流体统流圆柱体相同,无旋涡产生,如图3—7a所示.
随着来流速度增加,圆柱体后半部分的压力梯度增大,引起流体附面层的分离,如图3—7b所示.当来流的雷诺数Re再增大,达到40左右时,由于圆柱体后半部附面层中的流体微团受到更大的阻滞,就在附面层的分离点S处产生一对旋转方面相反的对称旋涡.如图3-7c所示.
在一定的留诺数Re范围内,稳定的卡门涡街的及旋涡脱落频率与流体流速成正比.
图3-7
圆柱绕涡街产生示意图
2.卡门涡街的稳定条件
并非在任何条件下产生的涡街都是稳定的.冯·
卡门在理论上已证明稳定的涡街条件是:
涡街两列旋涡之间的距离为h,单列两涡之间距离为
,若两者之间关系满足
=1
或
h/
=0.281
(3-24)
时所产生的涡街是稳定的。
3.涡街运动速度
为了导出旋涡脱落频率与流速之间的关系,首先要得到涡街本身的运动速度
.为便于讨论,我们假定在旋涡发生体上游的来源是无旋、稳定的流动,即其速度环量为零.从汤姆生定理可知,在旋涡发生体下游所产生的两列对应旋涡的速度环量
,必然大小相等,方向相反,其合环量为零,由于对应两涡的旋向相反,速度环量大小相等,所以在整个涡群的相互作用下,涡街将以一个稳定的速度
向上游运动.从理论计算可得.
的表示式为
=
tanh
(3-25)
对于稳定的涡街,将式(3-25)代入,有:
=
tanh(0.281
)=
(3-26)
4.流体流速与旋涡脱落频率的关系
从前面讨论可知,当流体以流速u流动时,相对于旋涡发生体,涡街的实际向下游运动速度为u-ur.如果单列旋涡的产生频率为每秒f个旋涡,那么,流速与频率的关系为
u-ur=fl
(3-27)
将式(3-26)代入,可得到流速u与旋涡脱落频率f之间的关系.但是,在实际上不可能测得速度环量
的数值,所以只能通过实验来确定来流速度u与涡街上行速度ur之间的关系,确定因注形旋涡发生体直径d与涡街宽度h之间的关系,有:
h=1.3d
(3-28)
ur=0.14u
(3-29)
将式(3-24),(3-27),(3-28),(3-29)联立,可得:
f=
(3-29’)
0.2u/d
也可将上式写成:
St=
0.2
(3-30)
St称为斯特罗哈数.从实验可知,在雷诺数Re为3×
l02-3×
l05范围内,流体速度u与旋涡脱落频率的关系是确定的.也就是说,对于圆柱形旋涡发生体,在这个范围内它的斯特罗哈数St是常数,并约等于0.2,与理论计算值吻合的很好.对于圆柱型式的旋涡发生体,其斯特罗哈数St也是常数,但有它自己的数值.图3-8为圆往型旋涡发生体产生的涡街结构.
根据以上分析,从流体力学的角度可以判定涡街流量计测量的上下限流量为:
Re=3×
102-2×
l05.当雷诺数更大时,圆柱体周围的边界层将变成紊流,不符合上述规律,并且将会是不稳定的.
图3-8
涡街结构示意图
5.流体振动原理
当涡街在旋涡发生体下游形成以后,仔细观察其运动,可见它一面以速度u-ur平行于轴线运动,另外还在与轴线垂直方向上振动.这说明流体在产生旋涡的同时还受到一个垂直方向上力的作用.下面讨论这个垂直方向上力的产生原因及计算方法.
同前讨论,假定来流是无旋的,根据汤姆生定律:
沿封闭流动流线的环量不随时间而改变.那么,当在旋涡发生体右(或左)下方产生一个旋涡以后,必须在其它地方产生一个相反的环量,以使合环量为零.这个环量就是旋涡发生体周围的环流.根据茹科夫斯基的升力定理,由于这个环量的存在,会在旋涡发生体上产生一个升力,该升力垂直于来流方向.设作用在旋涡发生体每单位长度上的升力为L,有:
L=
u
(3-31)
式中
――流体密度;
u――来流速度;
――旋涡发生体的速度环量.
从前面的讨论中可以得到以下关系,
=2
ur;
ur=K1u;
=K2d;
将上述关系代入式(3—1),并令系数K=2
K1K2,则有:
L=K
du2
(3-32)
这就是作用在旋涡发生体上的升力.由于旋涡在旋涡发生体两侧交替发生,且旋转方向相反,故作用在发生体上的力亦是交替变化的.而流体则受到发生体的反作用力,产生垂直于铀线方向的振动,这就是流体振动的原理.
从上述分析可以知道:
交替地作用在旋涡发生体上升力的频率就是旋涡的脱落频率.通过检测该升力的变化频率,就可以得到旋涡的脱落频率,从而可得流体的流速值。
6.流量公式
涡街流量计是一种速度式流量计,它测的是流体的流速u.为得到流量值,必须乘以流通截面积A.对于不同形式的旋涡发生器,它的流通截面积计算是不同的.以下仅举圆柱形流通截面积A可表示为
A≈
(1-1.25
)
(3-33)
由此可得流量公式为
qv=Au=
(3-34)
从该式可知,流量qv与旋涡脱落频率f在一定雷诺数范围内成线性关系。
因此,也将这种流量计称为线性流量计
许多情况下,仪表厂家总建议对现场管道进行缩管,在缩小了的管子上安装较小口径的涡街流量计。
我们十分担心缩管后会使流动阻力损失加大,甚至使介质流动不畅,造成卡脖子现象,后果不堪设想。
所以我们一般不容易接受缩管方案。
我们这种担心有道理吗?
答:
从工艺安全角度考虑,担心缩管造成流动不畅,这种担心是可以理解的。
但是,缩管的建议一般都出现在已有管道管径大而实际流量很小的情况下。
这种情况下,如果我们设想不缩管,大口径流量计将工作在流量下限附近甚至下限以下。
其后果是:
(1)在流量下限附近仪表精度差
(2)在流量下限附近流量信号质量差,有时不能正常工作(3)在流量下限附近流量计的抗振动能力低,易受环境振动干扰,导致仪表不能正常工作。
如果采取了缩管措施,可以带来以下好处:
(1)采用了较小口径流量计,可以经常工作于仪表流量范围的中,上区域,仪表信号质量好,精度高
(2)仪表在此流量范围工作,具有较好的抗振动性能(3)缩径后,可获得较长的仪表直管段,改善仪表的工作性能(4)小口径仪表价格较低注意到缩管后的管道口径是根据实际流量范围确定的,既然缩管后的流量计允许流量范围与管道实际流量范围匹配,其流量阻力也应在合理的范围内,不会造成过大的阻力损失,也不会出现卡脖子现象。
反过来想一下,如果阻力过大,缩自然会适当放大管径了,最后选定的缩管口径必然是合理的管径。
因此,卡脖子现象的担心是没有必要的。
缩管问题实质上不是流量计的问题,而是管道设计不合理造成的问题。
道理上应该修改管道工艺设计,采用合理的较小口径的管道。
前面提到,涡街流量计的仪表系数K取决于仪表几何尺寸如柱体宽度d,流道内径D等,那么,使用一段时间后,柱宽d被介质磨窄了或由于杂质沉积变宽了,仪表系数发生改变,流量计精度不就变差了吗?
您这样分析问题是非常正确的。
柱宽d与仪表系数密切相关。
当初设计傻瓜涡街流量计的柱型和柱宽时,就注意到了这个重要问题。
设计时采取了两个措施来避免这个情况发生。
首先,三角柱涡街流量计柱型断面等腰三角形底边相邻的两个顶角被切去,形成具有一定宽度的两个平行平面,此两个平行平面的距离形成柱宽d。
由于柱宽d不是由易于被磨损的
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