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大口径可变测量范围节流稳流式涡街流量计

大口径可变测量范围节流稳流式涡街流量计
 
 李吉男 常金旺  大连中隆仪表有限公司 大连 116023
 
一、背景技术
涡街流量计是根据“卡门涡街”原理研制成的一种流体振荡式流量测量仪表。在流动的流体中插入一个断面为非流线型的柱状物体时,从柱状物体两侧会产生两列交替产生的漩涡(参看图1)。
 
 
图1 涡街信号发生示意图
漩涡分离的频率与流速成正比,与柱体的宽度成反比,可用下式表示:
                                                           1
式中          f–漩涡分离的频率
              St–系数(斯特劳哈尔数)
              v–流体流速
              d–柱体迎流面宽度
由上式可见,通过测量漩涡频率便可测出流体流速和瞬时流量。斯特劳哈尔数(St)是可通过试验确定的无因次数,图2中表示出了斯特劳哈尔数(St)与雷诺数(Re)的关系。

                                                                                       图2斯特劳哈尔数与雷诺数的关系曲线
曲线的平直部分对应涡街流量计的测量流量的范围。只要检测出频率f即可求得管内流体的流速,由流速可求出体积流量。一段时间内输出的脉冲数与流过流体的体积量之比,称为仪表的系数K
                                                                                    2
式中:        K–仪表系数(脉冲/m3
              N–脉冲个数
              Q–体积总量(m3
涡街流量计可用来测量流体的瞬时流量(流率),也可以用来测量累积流量(总量)。当用来测量瞬时流量时其测量值可用下式表示:
                                                             3
式中      Q 体积流量值    m3/h
       f  涡街流量计输出信号频率   Hz
       K 涡街流量计流量系数  P/m3
当用来测量累积流量(总量)时其测量值可用下式表示:
                                                                                       4
式中      Q累积流量     m3
      N  累积总量对应的脉冲个数
      K  涡街流量计流量系数  P/m3
由于这种流量计具有适用流体种类多(适用气体、液体、蒸汽等),结构简单、无机械可动部件、可靠性好,精确度较高,范围度宽,压损小,输出与流量成正比的脉冲信号(流量测量确定性好),信号无零点漂移,而且在一定雷诺数范围内输出信号不受介质物性参数(密度、粘度等)的影响等优点,因此这种流量计越来越受到用户的欢迎,使用领域也在不断地扩大。
与其他流量测量仪表一样,涡街流量计的使用很重要的一点就是根据管道实际流量范围正确选用相应测量范围仪表,以实现流量的正常测量。由于工艺参数的不确定性(例如新装置参数的不确定性、生产能力负荷的不确定性、以及对未来负荷估计的不确定性等等)有时这种选择是很困难的(实践中往往都是将仪表口径选大)。不适合的选择往往会带来仪表运行的不正常,使介质流量的测量无法正常进行。
正常情况下遇到这种情况一般就要重新选择仪表规格(口径),并重新进行安装以满足测量要求。而这种更换仪表的工作实现起来有不少困难,因为重新安装就要同时对仪表前后相当长的管路进行缩、扩径安装处理。为此我们曾经发明了一种实用新型专利技术“节流稳流式涡街流量计”(国家专利号:ZL 02 2 42863.1),用来解决上述问题。但此专利结构主要适用于小口径仪表。在大口径仪表上实现比较困难(因为需要有足够的表体长度)。
另外,涡街流量计的信号频率一般来说正比于介质流速,反比于涡街信号发生体的宽度。经过大量试验,为了稳定涡街信号分离,国际上一般采用的涡街信号发生体迎流面宽度一般为仪表口径的20-30%。这样,越是口径大的仪表其涡街发生体的宽度越大,带来了一个突出的问题,就是信号频率比较低,流量系数比较小,仪表测量分辨率比较低(例如300mm口径涡街流量计参考流量系数为45P/m^3,用于气体流量测量时其参考信号频率范围为14-120Hz左右,若用于液体介质流量测量其参考信号频率只有1-12Hz左右)。因此一般认为不适合制作和使用大口径涡街流量计(国际上一般不制作300mm口径以上的涡街流量计),使大口径涡街流量计的使用受到限制。
 
二、大口径可变测量范围节流稳流式涡街流量计
鉴于上述技术中存在的问题,我们设计制作了一种全新结构的大口径可变节流面积比的涡街流量计。其原理结构见图3
涡街流量计测量腔表体内部中心处置有迎流面为流线型结构的圆柱型节流件,节流件与仪表内腔形成环形流通腔。环形流通腔用隔板按对称结构隔开两个或多个流通腔(隔板同时起整流、稳流作用),在其中一个或多个流通腔内放置涡街信号发生体及信号检测器,测量流体的流速,进而实现流体流量的测量。
                                      
                                                            图3 大口径节流式涡街流量计结构示意图
由于几个流通腔完全制作成对称结构,因此在流速充分发展的条件下(与其他速度式流量计一样需要保证仪表前后必需的直管段长度)测量其中某一个流通腔的介质流速就可以准确测量管道的流体流速,进而准确测量管道介质流量。在流速分布的均匀度不确定的条件下(例如流量计前直管段长度不足够长,满足不了要求),可以设置多点流速测量,并取其平均信号,进而保证整个管路介质流量的准确测量。
由于流通腔制作成矩形结构,介质的流动状态可近似认为二维状态(圆型结构的流动状态可示为三维状态),信号分离效果好。因此可用相对较窄的涡街信号发生体就可以得到较稳定的信号分离效果,当然,信号频率也有了明显的增加。
这种结构的涡街流量计与一般的涡街流量计相比有以下若干突出的特点:
(1)可以通过改变节流比来改变仪表适用量程。可以方便用户选用、改用。甚至有可能实现按管径选择相应的仪表。这对仪表的选择、安装、使用带来极大的方便(不用进行缩、扩管处理),尤其对大口径管路仪表的安装带来极大的方便,并可节省大量安装费用。传统结构涡街流量计的有效面积一般为64%左右,改变有效面积可以改变介质局部流速,从而得到能正常分离和测得信号的效果。
(2)大口径仪表的信号频率增加,信号分辨率将有明显的提高。设计的大口径节流式涡街流量计200mm口径是蕞小口径。对200mm口径涡街流量计而言在与传统结构涡街流量计具有相同的有效面积比(一般涡街流量计的有效面积比大约为64%)的条件下,信号分辨率将至少提高3倍,更大口径的涡街流量计分辨率将会有更大的提高。这对大口径涡街流量计信号分辨率的改善意义重大,也会对大口径涡街流量计的推广使用带来根本性变革。因为涡街流量计两大缺点(怕振动、大口径仪表信号分辨率低)之一得到了有效的解决,而振动影响对大口径仪表来说并不突出了。
(3)流线型结构的内节流件结构具有对流体的整流作用,同时通过双传感器或多传感器测量的方法,可以解决管路内流速分布不均匀的流体流量的准确测量。这些措施的实现可以降低表前直管段的长度要求,对有些特殊场合的应用意义重大。
(4)由于节流件采用了流线型结构,因此在同样的节流比的条件下,压力损失要比传统结构的小,具有节能意义。
(5)由于信号放大板的规格一致(不同规格口径的涡街流量计的涡街发生体基本宽度是一样的),对仪表的制作、调试以及使用、维护带来了方便。
 
三、性能验证
新型结构涡街流量计是否依然具备传统结构涡街流量计的主要使用特点呢?如:涡街信号分离效果是否理想?仪表测量范围度是否依然能达到110的范围?仪表系数的变化规律如何?在仪表测量腔的某一点设置流速测量点是否能准确代表整个测量腔的介质流速?仪表的校验方法是否与原来相同?等等,这是我们关心的问题,也是我们需要通过实验验证的问题。
我们用200mm口径涡街流量计进行了一系列实验,包括测量腔内流速分布测量实验;不同介质不同雷诺数状态仪表系数变化实验(斯特劳哈尔数变化实验);不同节流比系数变化实验(斯特劳哈尔数变化实验);不同涡街发生体对信号测量的影响实验;涡街信号测量探头蕞佳安装位置实验等等。
实验基本证实了此结构的合理性及灵活性,并得到以下实验结论:
1)信号测量腔由圆形结构变为方型结构,使流体状态近似为二维状态(圆型结构的流动状态可示为三维状态),涡街信号分离效果好,信号质量好。
2)在110或更大范围度范围信号保持稳定状态,范围度特性良好。
3)在管道雷诺数与传统结构相同的条件下,仪表测量特性基本相同。
4)在管道直管段满足要求的条件下,测量腔某一点的流速测量结果完全可以代表整个流通面积的流体流速,仪表的测量准确度及重复性指标未受到影响。
5)在一定的节流件直径与管道直径比状态下,有效流通面积比的变化,不引起斯特劳哈尔数的变化,这对大口径流量计的校验及流量系数的确定意义重大。
6)仪表校验方法可与传统结构流量计相同。
7)仪表可测下限流量可做较方便的调整,可测下限流量调整到传统结构下限可测流量的1/4-1/2状态下,仍可得到稳定的测量结果。不过此时管道雷诺数过低,斯特劳哈尔数有了较明显的变化,因此要保证较高的测量准确度,需要对测量信号进行补偿。
   大口径可变测量范围节流稳流式涡街流量计已经投入试生产,并已在多个用户单位使用,分别用来测量压缩空气、天然气、蒸汽、水等介质,使用效果良好。
   大口径可变测量范围节流稳流式涡街流量计已经申请国家专利,并已得到批准,国家专利号为ZL 200520107291.0