渦街流量計(jì)

常見的旋渦脫離現(xiàn)象

風(fēng)吹過旗桿時(shí)也能觀察到旋渦脫離現(xiàn)象；正因?yàn)檫@樣才會(huì)觀察到旗幟的漣漪飄動(dòng)。旋渦同樣會(huì)從橋墩、樁材、海上鉆油平臺(tái)支柱和高層建筑周圍脫離。設(shè)計(jì)這些建筑結(jié)構(gòu)時(shí)，必須將渦旋脫離現(xiàn)象所引起的力考慮在內(nèi)。

旋渦脫離的歷史

美籍匈牙利物理學(xué)家希歐多爾?馮?卡門首先對(duì)這一效應(yīng)進(jìn)行了描述，即將非流線型物體（又稱阻流體）放入快速流動(dòng)的水流時(shí)，下游水流會(huì)在該物體兩側(cè)交替分開，當(dāng)邊界層分離然后回卷時(shí)，便會(huì)形成旋渦（也稱為渦或渦旋）。他還注意到，旋渦之間一直保持固定的距離，該距離僅取決于產(chǎn)生旋渦的巖石大小。

在阻流體產(chǎn)生旋渦的一側(cè)，流速較高但壓力較低。隨著旋渦向下游移動(dòng)，其強(qiáng)度和尺寸都會(huì)變大，最終分離或脫開。然后阻流體的另一側(cè)形成新的旋渦。交替出現(xiàn)的旋渦之間的距離相等。

渦街流量計(jì)的設(shè)計(jì)

渦街流量計(jì)一般由316不銹鋼或哈氏合金?制成，包含一個(gè)阻流體、一個(gè)渦街傳感器組件和變送器電路，其中變送器電路可遠(yuǎn)程安裝。其適用的標(biāo)準(zhǔn)法蘭尺寸為1/2英寸至12英寸。渦街流量計(jì)的安裝成本與小于六英寸的孔板流量計(jì)成本相當(dāng)。夾持式流量計(jì)（無法蘭）的成本最低，如果過程流體是有害或高溫流體，則優(yōu)先采用帶法蘭的流量計(jì)。

阻流體的形狀（方形、矩形、T 形、錐形）和尺寸經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)所需的功能特性。測(cè)試表明，線性度、低雷諾數(shù)限制和對(duì)流速分布畸變的敏感度僅隨阻流體的形狀輕微變化。尺寸上，阻流體的寬度必須可與管道直徑比擬，才能使全部流體參與到旋渦的脫離。第二，阻流體朝向上游的表面必須呈現(xiàn)凸緣，才能在任何流量下固定住流動(dòng)分離線，與流體流速無關(guān)。第三，阻流體沿流動(dòng)方向的長(zhǎng)度必須是阻流體寬度的特定倍數(shù)。

大多數(shù)渦街流量計(jì)采用壓電式或電容式傳感器來檢測(cè)阻流體周圍的壓力振蕩。這些檢測(cè)器會(huì)響應(yīng)壓力振蕩，輸出與振蕩同頻率的低電壓信號(hào)。這是一種模塊化的低價(jià)傳感器，容易更換，且能工作于大范圍的溫度——從低溫液體到過熱蒸汽。傳感器置于流量計(jì)的內(nèi)部或外部均可。與流體接觸的傳感器能直接感受旋渦壓力波動(dòng)所造成的應(yīng)力，封閉于堅(jiān)硬的外殼可抵御腐蝕和侵蝕。

外部傳感器通常采用壓電應(yīng)變計(jì)，能通過旋渦發(fā)生桿的受力間接檢測(cè)旋渦脫離現(xiàn)象。在高腐蝕性/侵蝕性的應(yīng)用中，優(yōu)先選用外部傳感器以降低維護(hù)成本，而內(nèi)部傳感器則具備更好的調(diào)幅范圍（低流量靈敏度更佳）。它們同樣對(duì)管道振動(dòng)不敏感。電子器件外殼通常是防爆耐候，包含電子變送器模塊、接線端子和可選的流量指示器和/或累加器。

選擇渦街流量計(jì)前需要考慮的關(guān)鍵因素

1.所要測(cè)量的流體是什么？
2.最大和最小壓力
3.流量范圍
4.流體溫度
5.流體密度范圍
6.粘度范圍
7.管徑
8.可接受的最高壓降
9.管號(hào)或壁厚
10.管材
11.最近上游阻礙

渦街流量計(jì)的類型

智能渦街流量計(jì)http://m.yxw9.com/section/vortex-shedding-flowmeters-pitot-tube.html提供數(shù)字輸出信號(hào)，除了流量以外還包含更多信息。流量計(jì)中的微處理器能夠?qū)χ惫芰鲃?dòng)不充分、內(nèi)徑與配對(duì)管內(nèi)徑差值、阻流體熱膨脹以及當(dāng)雷諾數(shù)低于10,000時(shí)的K系數(shù)變化等情況自動(dòng)進(jìn)行修正。

智能變送器還具備診斷子程序，傳遞組件故障或其它故障信息。智能變送器可執(zhí)行測(cè)試程序以確認(rèn)流量計(jì)或應(yīng)用過程中的問題。這些按需執(zhí)行的測(cè)試還有助于 ISO 9000 認(rèn)證。

一些渦街流量計(jì)能夠檢測(cè)質(zhì)量流量。這種設(shè)計(jì)可同時(shí)測(cè)量旋渦頻率和旋渦脈沖強(qiáng)度。根據(jù)讀數(shù)可確定過程流體的密度，計(jì)算獲得質(zhì)量流量誤差在量程的2%以內(nèi)。

另一種設(shè)計(jì)配備多個(gè)傳感器，不僅用于檢測(cè)旋渦頻率，還能檢測(cè)過程流體的溫度和壓力。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，可以得出密度和質(zhì)量流量。該流量計(jì)在測(cè)量液體質(zhì)量流量時(shí)的準(zhǔn)確度為流量的1.25%，測(cè)量氣體或蒸汽的準(zhǔn)確度為流量的2%。如果出于其它原因而特別重視過程壓力與溫度，采用該流量計(jì)要比安裝單獨(dú)變送器更為方便，成本也更低。

應(yīng)用與限制

渦街流量計(jì)通常不建議用于定量或者其它間歇流動(dòng)應(yīng)用。這是因?yàn)槎靠刂频匿噶髁髁吭O(shè)定低于流量計(jì)的雷諾數(shù)下限。定量越小，結(jié)果誤差可能會(huì)越大。

低壓（低密度）氣體無法產(chǎn)生足夠強(qiáng)的壓力脈沖，尤其是流速較低時(shí)。因此，這種工況下的流量計(jì)其調(diào)幅范圍會(huì)變得很小，以致于無法測(cè)量小流量。另一方面，如果可接受采用減小的調(diào)幅范圍，而且尺寸上針對(duì)正常流量選擇得當(dāng)，那么渦街流量計(jì)仍然值得考慮。

但如果過程流體容易覆蓋或沉積在阻流體上，比如污泥或泥漿工況，最終會(huì)導(dǎo)致流量計(jì)的K系數(shù)發(fā)生變化。不建議在這些應(yīng)用場(chǎng)合中采用渦街流量計(jì)。然而，如果骯臟流體中僅含不多且不易沉積覆蓋的顆粒，則可接受使用渦街流量計(jì)。這一點(diǎn)已從一個(gè)為期2年的石灰石泥漿測(cè)試中得以驗(yàn)證。在測(cè)試的結(jié)束階段，盡管阻流體和流量管已經(jīng)布滿劃痕和凹坑，但K系數(shù)僅與出廠校準(zhǔn)值偏差了0.3%。

當(dāng)測(cè)量多相流體（氣體或液體中存在固態(tài)顆粒；液體中含有氣泡；氣體中含有液滴）時(shí)，渦街流量計(jì)的準(zhǔn)確度會(huì)降低，因?yàn)榱髁坑?jì)無法辨別這些相態(tài)。濕潤(rùn)、低品質(zhì)的蒸汽便是一個(gè)例子：液相物質(zhì)應(yīng)均勻分布于蒸汽中，并應(yīng)避免采用豎直管道以防塞流。對(duì)于水平管道，液相物質(zhì)往往會(huì)在管道底部流動(dòng)，因此應(yīng)保持管道內(nèi)面底部的暢通。可以通過安裝水平放置的阻流體來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。在這種工況中的測(cè)量不準(zhǔn)確度約為實(shí)際流量的5%，但重復(fù)性仍良好。

渦街流量計(jì)的永久性壓力損失約為孔板的一半，大致為2個(gè)速度頭。（速度頭定義為V2/g，其中V是流速，g是具有一致單位的引力常量。）如果管道和流量計(jì)的尺寸配置得當(dāng)且尺寸相同，壓降很可能僅有幾個(gè)psi。然而，為了增大雷諾數(shù)而縮小尺寸（安裝小于管道尺寸的流量計(jì)）會(huì)使水頭損失增大至 10 psi以上。另外還需要確?？s流斷面壓力不得低于過程流體的蒸氣壓，因?yàn)檫@將導(dǎo)致空蝕。一般來說，如果流量計(jì)的背壓低于蒸氣壓，過程流體會(huì)發(fā)生閃蒸，導(dǎo)致流量計(jì)測(cè)出無意義的讀數(shù)。

渦街流量計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)是對(duì)過程條件變化的敏感度低，以及比孔板或渦輪流量計(jì)更耐磨損。另外，初始成本和維護(hù)成本也很低。為此，它們的應(yīng)用更為廣泛。

安裝建議

在流量范圍未知的已有過程中安裝渦街流量計(jì)時(shí)，建議先進(jìn)行大致的測(cè)量（利用便攜式的皮托管或鉗式超聲波裝置）。否則，無法保證與管道尺寸相同的渦街流量計(jì)能夠正常工作。

渦街流量計(jì)要求流速穩(wěn)定且對(duì)稱分布，不得存在畸變或旋渦。這必須利用上下游的直管道對(duì)流體進(jìn)行調(diào)節(jié)。直管的尺寸必須與流量計(jì)相同，其長(zhǎng)度應(yīng)與孔口裝置的要求長(zhǎng)度大致相近，β比為0.7。大多數(shù)渦街流量計(jì)制造商建議在控制閥下游鋪設(shè)長(zhǎng)度至少為30倍管徑的直管段，且流量計(jì)與下游測(cè)壓孔之間的距離為3至4倍管徑。溫度元件的尺寸要小，置于下游5至6倍管徑的位置。

對(duì)于尺寸過大的過程管道，約半數(shù)渦街流量計(jì)要求通過同心收縮管和同心擴(kuò)張管的形式形成頸縮。即便安裝整流器，仍要求設(shè)置一定長(zhǎng)度的直（松弛）管段。

渦街流量計(jì)既可豎直安裝，也可水平安裝，甚至能夠傾斜任意角度，只需確保流體淹沒流量計(jì)即可。安裝于豎直向上流動(dòng)的管道中可保持流量計(jì)被流體淹沒。當(dāng)流量計(jì)安裝在向下或水平流動(dòng)的管道時(shí)，下游管道應(yīng)提升至高位。當(dāng)管道內(nèi)沒有流體流過時(shí)，可采用止回閥保持管道內(nèi)充滿流體。在某些設(shè)計(jì)中，如果更換傳感器之前需要關(guān)停流動(dòng)并中斷過程，則需要采用切斷閥和旁路閥。

配對(duì)法蘭（用于40號(hào)或80號(hào)配合管道）必須具有與流量計(jì)一樣相同的直徑和光滑的內(nèi)腔。優(yōu)先采用對(duì)焊法蘭，而不應(yīng)使用漸縮法蘭。配合管道內(nèi)表面在流量計(jì)上游4倍直徑和下游2倍直徑距離內(nèi)不應(yīng)存在氧化皮、凹坑、孔洞、鉸痕和凸起。必須小心地使流量計(jì)的內(nèi)孔與墊圈和鄰接管道對(duì)齊，以避免形成流動(dòng)障礙或階梯。

支撐流量計(jì)兩側(cè)的管道，或者旋轉(zhuǎn)流量計(jì)的方位使傳感器移離振動(dòng)面，均可避免過度的管道振動(dòng)。由震顫的閥門、疏水器或泵所發(fā)出的過程噪音會(huì)導(dǎo)致讀數(shù)過高或在零流量情況下產(chǎn)生非零讀數(shù)。大多數(shù)流量計(jì)電路均考慮到增強(qiáng)噪聲濾波的設(shè)置，但削弱噪聲的同時(shí)也會(huì)降低流量計(jì)對(duì)小流量的靈敏度。其中一種辦法是重新將流量計(jì)置于噪聲較小的工位