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涡街流量计在蒸汽计量中的应用

发布时间:2017-10-18
 

合理准确地进行蒸汽流量计量,是企业进行对外蒸汽贸易结算的依据,也是企业能够准确考核能源消耗,计算生产成本的重要保证。
对于蒸汽流量的计量,在20世纪80年代人们普遍采用标准孔板流量计。从流量仪表发展状况来看,孔板流量计尽管其历史悠久,应用范围广,人们对他的研究也最充分,实验数据最完整,但终因其压力损失大、容易泄漏、量程范围小及精度低等缺点,而被涡街流量计所取代。
涡街流量计由于结构简单、安装方便,适用于测量多种流体,特别是其精度高、量程比宽、压损小、输出与流量成正比的脉冲信号等优点,在流量计量特别是蒸汽流量计量中得到了广泛的应用。
1、涡街流量计测量原理
涡街流量计是由设计在流场中的旋涡发生体、检测探头及相应的电子线路等组成。当流体流经旋涡发生体时,它的两侧就形成了交替变化的两排旋涡,这种旋涡被称为卡门涡街。

斯特罗哈尔在卡门涡街理论的基础上又提出了卡门涡街的频率与流体的流速成正比,并给出了频率与流速的关系式:
f = St × V/d
式中:f 涡街发生频率 (Hz)
V旋涡发生体两侧的平均流速(m/s )
St 斯特罗哈尔系数(常数)
d-旋涡发生体的宽度 (m)
由此可见,通过测量卡曼涡街分离频率便可算出瞬时流量。其中,斯特罗哈尔数(St)是无因次未知数,
图(二)表示斯特劳哈尔数(St)与雷诺数(Re)的关系。

这些交替变化的旋涡就形成了一系列交替变化的负压力,该压力作用在检测探头上,便产生一系列交变电信号,经过前置放大器转换、整形、放大处理后,输出与旋涡同步成正比的脉冲频率信号或标准信号。
在流体管道中,垂直插入—个柱形阻挡物,在其后部(相对于流体流向)两侧就会交替地产生旋涡。随着流体向下游流动形成旋涡列,我们称之为卡门涡街。我们把产生旋涡的柱形阻挡物定义为旋涡发生体在一定条件下旋涡的分离频率与流体的流速成线性关系。因而,只要检测出旋涡分离的频率,即可计算出管道内流体的流速或流量。
2、涡街流量计的结构
涡街流量计由漩涡发生体、漩涡频率检测元件(俗称探头)及信号处理电路(俗称放大板)等几部分组成。
2.1旋涡发生体旋涡发生体形状有圆柱、三角柱、T型柱、四角柱等,目前采用较多的是三角柱形,它的边界层分离点固定,即其斯特罗哈尔数s相对恒定。
2.2漩涡频率检测元件检测方式从热丝式、热敏式逐渐发展到应力式、磁敏式及差动开关电容式、超声波式等。目前应用较多的为应力式,检测元件多采用压电元件。
流体流经柱体时,旋涡交错分离,在柱体的两侧及柱体后面的尾流中产生脉动的压力。位于柱体后面的检测探头受这种微小脉动压力的作用,使探头内的压电晶体元件受交变应力而产生相应的交变电荷信号,送入信号处理电路。
2.3信号处理电路信号处理电路虽然不同厂家设计的会有所不同,但基本都由电荷转换器、放大器、低通滤波器、史密特触发器及脉冲输出放大器等几部分组成,如图1所示。

1)电荷转换器:将从压电元件输出的交变电荷信号转换成与电荷量成比例的电压信号;
2)放大器、低通滤波器:进行信号放大,消噪;
3)史密特触发器:把旋涡频率的模拟电压信号转换成一定幅值的脉冲信号,同时因该电路对输入输出信号具有滞后作用,因此能防止由噪声产生的振荡;
4)脉冲输出放大器:将史密特整形电路输出的脉冲信号放大。送入二次仪表(流量积算仪或微机)。
3、蒸汽流量测量中的压力温度补偿
涡街流量计测量出的流体的流量为体积流量,而在蒸汽贸易结算或企业计算蒸汽用量时往往用质量流量进行计算,为此需要将蒸汽的体积流量通过密度值(ρ)换算成质量流量
Qm=ρQv
蒸汽分为饱和蒸汽和过热蒸汽两种,对于饱和蒸汽,其压力与温度存在一一对应关系,密度为压力或温度的单值函数。因此仅用压力变送器测量出蒸汽的压力(称为压力补偿),或仅用温度变送器测量出蒸汽的温度(称为温度补偿),然后将压力或温度信号送人二次仪表,就可以计算出蒸汽的密度,进而获得蒸汽的质量流量。压力补偿和温度补偿仅取其一即可。在具体工作中究竟采用哪个参数,要从两个参数检测元件的响应速度、检测精度、对环境变化的影响及安装测量元件后对流量测量的影响等因素考虑。~般情况下,在饱和蒸汽测量中均采用压力参数补偿。对于过热蒸汽,其密度值是压力和温度两个参数的函数,因此需要压力、温度两个参数的补偿,最后由二次仪表计算出蒸汽密度,换算l叶I蒸汽的质量流量。
4、涡街流量计的安装要求
1)由于在流体流动稳定的情况下,流体通过旋涡发生体两侧时才能够交替地产生有规律的旋涡,因此流量计应尽可能安装在振动和冲击小的场所,安装位置在5~20Hz的振动频率下,要求振动加速度不大于lg,否则应采取减振措施 ,例如在流量计安装处振源来向的管道上加装固定支撑架,或在流量计上安装防振接头。
2)要求流量计的前后要有一定的直管段,直管段的长度应符合表1的要求(其中 D为管道直径)。在规定的直管段长度内,管道入流段与出流段目测应是平直的。为保证被测介质满管,流量计应尽量避免安装在调节阀、半开闸阀的下游。一般情况下不在扩大管后安装流量计。如果流量测量时需要进行温度或压力补偿时,取压点应在流量计前lD以外,测温点应在流量计后5D以外。

3)涡街流量计的信号检测电路(放大板)可以正常工作的环境温度为-40℃≤T≤55℃,如果不能满足此条件,仪表选型时可考虑选择分体式结构。
4)流量计安装地点尽量远离高压用电设备,做好仪表接地,流量计信号线应选用屏蔽电缆,以免信号受到工频干扰,造成计量误差。
5、涡街流量计的检测
当涡街流量计工作半年左右时间或出现故障时,可以按以下方法检测流量计是否能正常
5.1探头的检测
1)万用表检测法:用万用表200MΩ档测量探头的绝缘阻值,常温下应为10~lOOMΩ。用万用表2n档,测量探头的电容值,空载时电容应为0.15~0.35nF之间恒定不变。当有外界振动或流体流动时,电容值发生变化,且比空载时要大,则探头正常。
2)示波器检测法:将探头与示波器相连,轻敲探头头部,若示波器屏幕上出现不规则正弦波,则说明探头完好,无类似波形则探头损坏。
5.2 放大板的检测
虽然各生产厂家的放大板略有差异,但大多都在放大板电路上设置了信号检测点,可以用示波器逐一检测各点波形,一般在施密特触发器前的检测点,信号波形应为幅值不等的正弦波,在施密特触发器后信号波形为方波。如果出现多波形、丢波形或无波形的情况,说明放大板工作不正常,可以通过相应的电位器进行调整。
6、结束语
涡街流量计在流量测量方面有着诸多的优点,在现代流量测量中应用越来越广泛。正确地进行流量计的安装和性能检测,可以保证流量计长期稳定地工作。