渦街流量計性能與安裝方式的關(guān)系
1.引言 渦街流量計(或稱旋渦流量計)是一種基于流體振蕩原理的新型速度式流量儀表。它的輸出信號是與流量成正比的脈沖頻率信號或標(biāo)準(zhǔn)電流信號,可遠(yuǎn)距離傳輸,并且輸出信號僅與流量有關(guān),不受流體的溫度、壓力、成分、粘度和密度的影響。它具有量程比寬,結(jié)構(gòu)簡單,無運動件,檢測元件不接觸被測流體,具有測量精度好、應(yīng)用范圍廣、使用壽命長等特點。因此,渦街流量計自20世紀(jì)60年代末誕生以來,發(fā)展異常迅速,許多研究者進(jìn)行了大量的工作,開發(fā)出了眾多類型的渦街流量計,并大量生產(chǎn)投放市場,像這樣在短短幾年時間內(nèi)就達(dá)到從實驗室樣機(jī)到批量生產(chǎn)過程的流量計還是僅有的。 然而,在經(jīng)歷了20世紀(jì)80~90年代的“渦街熱”以后,渦街流量計的發(fā)展放慢了步伐。由于對這種新型儀表的生產(chǎn)、設(shè)計、選型和應(yīng)用方面的經(jīng)驗不足,面對各行各業(yè)千差萬別的現(xiàn)場和測量對象,有些問題逐步暴露出來,如安裝條件和方式對測量的影響等。對于安裝條件(即各種使用條件下所必須的直管段長度)的要求,不同儀表廠家都會給出一個比較合理的建議值。但是,對于安裝方式(即流量計水平安裝或垂直安裝)給渦街流量計造成的影響,一般都沒有涉及。本文通過相同條件下的實驗研究,定量地討論和比較了水平、垂直兩種安裝方式對渦街流量計測量的影響。 2.渦街流量計測量原理 在流體中垂直于流向插入一根非流線型柱狀物體(即旋渦發(fā)生體),當(dāng)流速大于一定值時,在柱狀物兩側(cè)將產(chǎn)生兩排旋轉(zhuǎn)方向相反、交替出現(xiàn)的非對稱的旋渦列(即卡門渦街),如圖1所示,通過檢測渦街產(chǎn)生的頻率,根據(jù)有關(guān)的關(guān)系式得到流體的流量。 設(shè)旋渦的發(fā)生頻率為f,被測介質(zhì)來流的平均速度為u,旋渦發(fā)生體迎面寬度為d,管道內(nèi)徑為D,根據(jù)卡門渦街原理,有如下關(guān)系式: 式中u1為旋渦發(fā)生體兩側(cè)的平均流速,m/s;St為斯特勞哈爾數(shù),量綱為1;m為旋渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積與管道橫截面面積之比,量綱為1。 管道內(nèi)流體的體積流量qv為: 式中K為渦街流量計的儀表系數(shù),Hz/(m3/h)。 式(3)就是渦街流量計測量的基本關(guān)系式,其中K除與旋渦發(fā)生體、管道的幾何尺寸有關(guān)外,還與斯特勞哈爾數(shù)有關(guān)。斯特勞哈爾數(shù)為無量綱參數(shù),它與旋渦發(fā)生體形狀及雷諾數(shù)有關(guān),在ReD = 2×104 ~ 7×106范圍內(nèi),St可視為常數(shù),這是儀表正常工作范圍。同時可以看到,渦街流量計輸出的脈沖頻率信號不受流體物性和組分變化的影響,即儀表系數(shù)在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)僅與旋渦發(fā)生體及管道的形狀尺寸等有關(guān)。 3. 渦街流量計的安裝方式 在工程實際應(yīng)用中,渦街流量計通常有如圖2所示的幾種安裝方式[10],其中(a)、(b)、(c)三種方式都屬于水平安裝;(d)則為渦街流量計的垂直安裝。對不同的流體應(yīng)采用不同的安裝方式。普通液體、氣體、含水量液體的氣體、低溫氣體和液體、含微量固體顆粒的液體和氣體等可采用(a)、(c)、(d)方式安裝;高溫液體、高溫氣體、蒸汽可采用(b)、(c)、(d)方式安裝;濕飽和蒸汽可采用(a)、(c)、(d)方式安裝;液-氣(含微量氣體)、液-固(含微量固體)和液-液兩項流中,如果氣、固相不超出可測量范圍,建議首先采用(d)方式安裝。 4. 實驗及結(jié)果討論 4.1 實驗裝置與過程 實驗裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示,水穩(wěn)壓罐為管路提供恒定的水壓,使實驗時流量穩(wěn)定,水流量的大小由調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié),流量范圍為2~20 m3/h。電磁流量計作為標(biāo)準(zhǔn)流量表給出進(jìn)入實驗段的水的標(biāo)準(zhǔn)流量值,精度為0.5%。渦街流量計分別按照水平和垂直兩種方式安裝在實驗管路中,它們都具有足夠長的前、后直管段長度,并且其它安裝條件都嚴(yán)格按照規(guī)定的要求。渦街流量計的信號通過示波器采集,采樣頻率選用1000 Hz,每組數(shù)據(jù)包含2500點。 4. 2 實驗結(jié)果與分析 分別對在水平和垂直兩種安裝方式時測得的渦街信號進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT),可以得到渦街頻率值,圖4給出了渦街頻率與流量之間的關(guān)系。從圖中可以看出,兩者之間的差別很小。再分別對測得的渦街率與流量做零截距最小二乘擬合,得到水平、垂直安裝的渦街流量計儀表系數(shù)分別為2.5202 Hz/(m3/h)和2.5198 Hz/(m3/h),相對誤差小于0.02%?梢,在安裝方式對渦街流量計的測量影響很小,可以忽略。 為了進(jìn)一步研究渦街流量計安裝方式的影響,本文還比較了在水平和垂直兩種方式下的渦街信號的幅度。圖5給出了渦街信號幅度與流量之間的關(guān)系,可以看出信號幅度都與流量成近似二次方關(guān)系,在相同流量下,信號幅度基本上相等,這說明渦街流量計安裝方式對其信號幅度影響很小,也即旋渦的能量(正比于幅度的平方)幾乎不受影響。但是,仔細(xì)比較可以發(fā)現(xiàn),渦街流量計水平安裝時的信號幅度略大于垂直安裝的情況,這里可定性地理解為,當(dāng)渦街流量計垂直安裝時部分旋渦能量因為克服重力而耗散,使得渦街流量計傳感器感測到的渦街能量變少,從而造成信號幅度減小。
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