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渦街流量計

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渦街流量計選型及使應用中的特殊性

來源:作者:發表時間:2017-10-30 10:50:29

        摘 要:渦街流量計是石油化工裝置中十分常用的一種流量測量儀表,但渦街流量計實際使用中的測量效果常常不盡如人意,筆者根據多年的渦街流量設計及使用經驗,結合實際項目中出現的問題及失誤情況,對渦街流量計的選型及使用中特殊性進行梳理與論證,針對渦街流量計的固有特性及測量上下限的特殊性進行分析,指明渦街流量計特有的應用注意事項。

 
0 引言
        渦街流量計是石油化工裝置中十分常用的一種流量測量儀表,可以用於測量工藝管道中各類氣體、液體、蒸汽介質流量。因其量程範圍大,測量精度高,無可動機械零件,可靠性高,維護量小等優點得到了設計單位及用戶的廣泛認可。但在渦街流量計的設計選型及使用過程中,往往會出現各種各樣的問題從而導致實際的使用及測量效果不盡如人意,出現這些問題的主要原因絕大部分都是由於設計選型或安裝施工過程中沒有充分考慮到三暢渦街流量計的特殊性造成的。
 
1 渦街流量計的測量原理
        在流通的管道內設置適當形態、尺寸的非流線型柱體,即渦街發生體,在流體流通過渦街發生體時,會在發生體兩側交替產生漩渦,漩渦脫落並向下遊傳播,形成形似交叉排列街燈的漩渦列,這種現象被稱作卡門渦街。
渦街流量計卡門渦街原理
        單位時間內產生的漩渦數量即為渦街頻率,此頻率與流速成線性正比關係,渦街流量計正是利用卡門渦街的這種特性,通過測量管道內渦街發生體後的渦街頻率,計算出管道內介質的流速從而達到測量流量的目的。
 
        工況體積流量由下式給出:Qv=3600×(f/K)
 
        式中,Qv 為工況體積流量(m3/h);f 為渦街頻率(Hz);k 為渦街流量計儀表係數,K=St/(A×d) ,其中:St 為斯特羅哈爾數,在渦街流量計標稱測量範圍之內,可被作與流體特性無關,A 為流量計流通管橫截麵積,d 為渦街發生體迎流麵寬度。
 
2 關鍵測量元件
        為了準確測量渦街頻率,測量元件材質及形式的選擇就變得尤為重要。由於工業領域的流體,固有的髒汙、含雜質、高溫/低溫、高壓、腐蝕等特征,曾經出現過的熱敏、磁敏、激光尾流、超聲尾流等種類繁多的漩渦探測方式已消失不見,通過感測漩渦橫向升力識別漩渦的力敏檢測方式成為渦街流量計製造商的一致選擇,其中,采用壓電晶體敏感元件的應力式渦街傳感器為絕大多數製造商使用,直接原因在於,漩渦升力與流量平方成正比,同時與流體工況密度成正比,為實現 20:1 的量程比,保證出現渦街的必要性,傳感器必須在足夠厚度/強度的耐腐蝕金屬包裹之下,同時為應對低密度/低壓氣體流量測量,傳感器必須具備堪比麥克風的較高靈敏度;而為應對蒸汽,液體介質的強大漩渦升力,則需可長期承受強如鐵錘重擊般的苛刻重載,顯然,應力式傳感器更為適宜。
 
        對比製造商樣本資料,即可發現,可實現 10 ∶ 1以上的量程比的渦街流量計基本均采用應力式(壓電晶體)傳感器。
 
3 流量計的固有特性
        (1)由原理可以得出:渦街流量計測量的是工況體積流量,產品銘牌給出 K 係數含義是:K 個漩渦=1m³ ,渦街流量計原始信號與輸出信號之間為簡單的線性正比關係,不可因慣用差壓類流量計的經驗,進行開方運算;
        (2)渦街流量計通過對於所產生漩渦數量的累計計數得到累計流量,通過計數單位時間之內的漩渦個數得到瞬時流量。測量的難題主要表現為:在複雜因素(或工況)幹擾下,正確判定漩渦的有/無;
        (3)渦街流量計在檢測流量時,首要的是判斷漩渦的有無,即生成數字信號的“1”、“0”,進而計數得到流量,因此,渦街流量計本質上為數字測量原理,由此呈現出與常用的其它模擬原理流量計大相徑庭的特征:
        ①如能正確識別漩渦的有/無,則表現出優異的測量精度;
        ②如果在判斷漩渦有/無時出現錯亂,則呈現無法接受的巨大誤差,甚至於不能正確反映信號變化趨勢。
 
        對比熟知的模擬類流量儀表如差壓類、電磁類等等,是以信號強弱測得流量大小,而渦街流量計卻是以信號頻率的高低測得流量大小。因此,幹擾對於模擬類流量儀表流量示值的影響往往取決於幹擾的強度,在流量低於下限時,更多的表現為精度超差,但可反映流量變化趨勢。並且,幹擾信號的頻率通常與模擬類流量計的信號差異明顯,簡單的濾波就可以有效降低幹擾信號幅度,從而抑製幹擾的影響。
 
4 渦街流量計選型的特殊性
        渦街流量計的選型與其他流量計選型一樣,首先麵臨的問題是口徑規格的選擇,選擇依據是根據工藝要求的測量範圍,對比三暢各口徑規格渦街流量計的測量範圍下限及上限,確定適當的規格。但須注意的是:渦街上/下限,因原理的特殊性,必須謹慎考量,工程實踐足以證明:大多數的渦街運行不良、測量失敗,來源於測量上/下限的重視不足,甚至理解偏差。渦街流量計是對於流暢畸變、旋轉流等較敏感的流量計,應有足夠長度的直管段或裝設流動調整器才能保證測量精度。
 
(1)渦街流量計的測量下限的特殊性
        渦街流量計的測量下限不是定值,即使同一台渦街流量計,測量相同狀態流體時,流量測量下限根據工況不同也可能產生變化。流量低於下限時,好好的情況隻能是示值為零,不能反映流量趨勢。三暢渦街流量計的測量下限,由雷諾數、流體工況密度、傳感器及信號處理係統的增益(放大倍率)信號處理係統的低端頻響,渦街流量計的抗幹擾能力、現場幹擾強度等因素共同製約,因而變化範圍很大,不能簡單的查詢、引用產品樣本給出的下限數據。正確的做法是:針對上述所有因素,分別計算或查詢出各自限定的流量測量下限,取好高值,作為產品實際下限。
 
        渦街流量計產生漩渦的橫向升力與流量的平方成正比,同時與流體密度成正比,因此,在流量減小時,信號強度以二階關係急劇下降,在小流量時,渦街信號容易降至與信號強度相當,甚至湮沒在幹擾之中,無法正確識別漩渦的有無,致使錯誤地的將幹擾識別為漩渦。所產生的誤差,並非如模擬式流量計般,取決於幹擾的幅度,而是幹擾的頻率,由此,在幹擾頻率與渦街頻率差異大時,即使信噪比不低,也可產生極大誤差,為此,渦街流量計必須在信號處理中設定一個信號識別的強度下限,將強度低於下限的幹擾及流量一並舍棄,盡量避免將強度不大、而頻率不低的幹擾信號誤認為渦街信號,以免差生極大誤差。因此渦街流量計的測量下限受幹擾影響極大,低於下限的流量無法給出有意義的示值。
渦街信號特征圖
        根據工程經驗,在眾多影響渦街測量下限的因素中,渦街流量計的抗幹擾能力,以及現場幹擾強度是決定渦街流量計測量下限的主要因素,眾所周知的“渦街怕振動”,實際原因就是:欲測流量已經低於渦街流量計在現場振動幹擾下的實際測量下限,反之,隻要流量夠大,超過測量下限,是不存在“渦街怕振”這種說法的。由於漩渦升力與流量之間成二階正比關係,在流量減小時,渦街信號急劇減弱,而渦街原理是通過正確識別漩渦的有/無,進而計數單位時間內漩渦個數(即渦街頻率)得出流量,幹擾對於渦街產生作用並非如其他儀表一般,作用於信號幅度,引發與幹擾強度成正比的誤差,而是以幹擾頻率影響渦街頻率的識別,產生的誤差主要源於渦街信號與幹擾信號的頻率差值,即使微弱的幹擾,因頻率差異,也可導致難以接受的而巨大誤差,因此,三暢渦街流量計必須按幹擾信號幅度設置取舍門限,舍棄幅度低於門限的信號,隻對高於門限的信號進行漩渦的識別處理,由此防止誤將幹擾頻率認作渦街頻率,從而實現零點穩定。在此,需清晰認識的是,流量越小,信號越弱,舍棄門限越高,意味著舍棄的流量越高,這正是幹擾造就測量下限的原因。
 
        在現場常見需調整渦街流量計的靈敏度,實質就是調整信號的取/舍門限,可以清晰的看到,調高靈敏度即降低信號幅度的取舍門限,流量計的測量下限即可下延,但在更多情況之下,則是為了實現無流量時,示值為零,須降低靈敏度,即提升舍棄門限,流量測量下限隨之上升,甚至超過欲測流量,導致測量失敗。
 
        渦街流量計對抗幹擾的這種機理,意味著當流量低於測量下限時,其他模擬原理流量計(如差壓類流量計、電磁流量計、科氏力質量流量計、熱式質量流量計、超聲波流量計等)一般表現為誤差超標,但依舊能反映流量變化趨勢,而此時,渦街流量計的好好表現為示值為零,否則隻會給出淩亂無章的示值。針對渦街的這一特征,在選型時,須充分估計到工藝提供準確好小流量的難度,預留足夠低的測量下限,在合理的範圍內盡量擴大流量計測量下限與工藝介質好小流量之間的緩衝區域,可以極大的提高渦街流量計在震動工況中的可用性。
 
(2)渦街流量計的測量上限的特殊性
        流量超過上限,誤差超乎想象。更大的危害是:傳感器/發生體斷裂,威脅下遊設備的安全。渦街流量計的測量上限,受信號處理係統的高端頻響特征、傳感器/渦街發生體的抗載能力等因素限製,製造商在樣本之中,普遍給出氣體、蒸汽、液體三類流體的好高可測流速上限,乘以流通管橫截麵積,即可核算為工況體積流量上限,進一步可核算為所需的標況體積,質量流量上限。
 
        對於渦街流量計的測量上限,源於其原理的特殊性,以下兩點宜謹慎考量:超限倒走現象與傳感器/渦街發生體斷裂現象。
 
        通常情況之下,流量越大,渦街的穩定性越差,在超出上限流量時,信號處理係統的高端頻響限製,將進一步擴大不穩定度,使得漏計漩渦的比例隨流量升高急劇上升,現場表現為:流量越大,指示越小的特有“倒走”現象,測量誤差超出百分之數十、甚至數百,有些製造商在產品樣本中聲明:采取特殊算法,消除這種“倒走“現象,使得超限後,如其他流量計般維持為上限示值,可減小”倒走“帶來的誤差,但應該注意的是,這一做法,也使現場判定超限更加困難,且能產生下述風險:
 
        由於傳感器受到的漩渦升力與流量的平方成正比,在流量超出上限時,可能因過載損傷傳感器,對於非應力式(壓電晶體)傳感器尤為嚴重,更強的破壞作用源於:渦街信號基頻、諧波頻率升高到傳感器/渦街發生體的自有共振頻率,致使其共振斷裂,斷裂部件高速撞向下遊設備,可能造成重大損失。渦街流量計所產生的漩渦頻率與口徑規格呈反比,因此,口徑越小,渦街頻率越高,漩渦傳感器產生共振的機率越大,共振斷裂的風險越大。在高流速的蒸汽流量測量中,出現傳感器斷裂的案例更為多見。一些產品將渦街發生體與漩渦傳感器合並一體,即:將壓電晶體封裝在渦街發生體之中,這種結構的渦街發生體須設計為懸臂梁或絞支梁結構,在液體流量超限或是水錘作用、異物撞擊下,也易產生渦街發生體斷裂現象,需謹慎對待。
 
5 結束語
        渦街流量計作為公認的未來主流流量計之一,更多承擔氣體及低粘度液體的流量測量,應用麵快速增長。但必須看到的是:基於當前技術水平,市場上的產品距離充分展現渦街原理優勢,還存在很大差距,產品間的性能差異明顯大於其他儀表,在選用時需謹慎甄別。因此,隻有對渦街固有特征認識清晰,才能獲得良好的應用效果。
 
版權屬於:中國寰球工程有限公司遼寧分公司,劉子夫,馮兆宇,任 泓
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