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涡街流量计性能与安装方式的关系

1.引言
   涡街流量计(或称旋涡流量计)是一种基于流体振荡原理的新型速度式流量仪表。它的输出信号是与流量成正比的脉冲频率信号或标准电流信号,可远距离传输,并且输出信号仅与流量有关,不受流体的温度、压力、成分、粘度和密度的影响。它具有量程比宽,结构简单,无运动件,检测元件不接触被测流体,具有测量精度高、应用范围广、使用寿命长等特点。因此,涡街流量计自20世纪60年代末诞生以来,发展异常迅速,许多研究者进行了大量的工作,开发出了众多类型的涡街流量计,并大量生产投放市场,像这样在短短几年时间内就达到从实验室样机到批量生产过程的流量计还是绝无仅有的。
   然而,在经历了20世纪80~90年代的“涡街热”以后,涡街流量计的发展放慢了步伐。由于对这种新型仪表的生产、设计、选型和应用方面的经验不足,面对各行各业千差万别的现场和测量对象,有些问题逐步暴露出来,如安装条件和方式对测量的影响等。对于安装条件(即各种使用条件下所必须的直管段长度)的要求,不同仪表厂家都会给出一个比较合理的建议值。但是,对于安装方式(即流量计水平安装或垂直安装)给涡街流量计造成的影响,一般都没有涉及。本文通过相同条件下的实验研究,定量地讨论和比较了水平、垂直两种安装方式对涡街流量计测量的影响。
2.涡街流量计测量原理
   在流体中垂直于流向插入一根非流线型柱状物体(即旋涡发生体),当流速大于一定值时,在柱状物两侧将产生两排旋转方向相反、交替出现的非对称的旋涡列(即卡门涡街),如图1所示,通过检测涡街产生的频率,根据有关的关系式得到流体的流量。
涡街流量计测量原理示意图
设旋涡的发生频率为f,被测介质来流的平均速度为u,旋涡发生体迎面宽度为d,管道内径为D,根据卡门涡街原理,有如下关系式:

式中u1为旋涡发生体两侧的平均流速,m/s;St为斯特劳哈尔数,量纲为1;m为旋涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比,量纲为1。
管道内流体的体积流量qv为:
式中K为涡街流量计的仪表系数,Hz/(m3/h)。
式(3)就是涡街流量计测量的基本关系式,其中K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,它与旋涡发生体形状及雷诺数有关,在ReD = 2×104 ~ 7×106范围内,St可视为常数,这是仪表正常工作范围。同时可以看到,涡街流量计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。
3. 涡街流量计的安装方式
   在工程实际应用中,涡街流量计通常有如图2所示的几种安装方式[10],其中(a)、(b)、(c)三种方式都属于水平安装;(d)则为涡街流量计的垂直安装。对不同的流体应采用不同的安装方式。普通液体、气体、含水量液体的气体、低温气体和液体、含微量固体颗粒的液体和气体等可采用(a)、(c)、(d)方式安装;高温液体、高温气体、蒸汽可采用(b)、(c)、(d)方式安装;湿饱和蒸汽可采用(a)、(c)、(d)方式安装;液-气(含微量气体)、液-固(含微量固体)和液-液两项流中,如果气、固相不超出可测量范围,建议首先采用(d)方式安装。
涡街流量计常用安装方式示意图
4. 实验及结果讨论
4.1 实验装置与过程
   实验装置结构如图3所示,水稳压罐为管路提供恒定的水压,使实验时流量稳定,水流量的大小由调节阀来调节,流量范围为2~20 m3/h。电磁流量计转标准流量表给出进入实验段的水的标准流量值,精度为0.5%。涡街流量计分别按照水平和垂直两种方式安装在实验管路中,它们都具有足够长的前、后直管段长度,并且其它安装条件都严格按照规定的要求。涡街流量计的信号通过示波器采集,采样频率选用1000 Hz,每组数据包含2500点。

4. 2 实验结果与分析
   分别对在水平和垂直两种安装方式时测得的涡街信号进行快速傅里叶变换(FFT),可以得到涡街频率值,图4给出了涡街频率与流量之间的关系。从图中可以看出,两者之间的差别很小。再分别对测得的涡街率与流量做零截距小二乘拟合,得到水平、垂直安装的涡街流量计仪表系数分别为2.5202 Hz/(m3/h)和2.5198 Hz/(m3/h),相对误差小于0.02%。可见,在安装方式对涡街流量计的测量影响很小,可以忽略。
涡街流量计不用安装方式涡街频率与流量关系涡街流量计不同安装方式信号幅度与流量关系
   为了进一步研究涡街流量计安装方式的影响,本文还比较了在水平和垂直两种方式下的涡街信号的幅度。图5给出了涡街信号幅度与流量之间的关系,可以看出信号幅度都与流量成近似二次方关系,在相同流量下,信号幅度基本上相等,这说眯街流量计安装方式对其信号幅度影响很小,也即旋涡的能量(正比于幅度的平方)几乎不受影响。但是,仔细比较可以发现,涡街流量计水平安装时的信号幅度略大于垂直安装的情况,这里可定性地理解为,当涡街流量计垂直安装时部分旋涡能量因为克服重力而耗散,使得涡街流量计传感器感测到的涡街能量变少,从而造成信号幅度减小。

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