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渦街流量計的選用考慮要點

時間:2010/4/2閱讀:959
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1. 應(yīng)用概況


VSF自20世紀(jì)70年代在工業(yè)上應(yīng)用以來,由于它具有一些突出的特點,受到用戶歡迎,并得到迅速發(fā)展。像它這樣開發(fā)只有20多年即已躋身通用流量計 之列,在流量計中是少有的。由于應(yīng)用時間短,無論理論研究或?qū)嵺`經(jīng)驗都比較薄弱,不免出現(xiàn)一些問題,這是不足為怪的。多年實踐證明,VSF的選用(選型和 使用)是用好流量計的關(guān)鍵環(huán)節(jié),因此儀表制造廠應(yīng)加強售前服務(wù),即幫助用戶選型,并在安裝投用上給予指導(dǎo)。只要抓住這一環(huán)節(jié),該流量計不失為一種性能不錯 的流量計。
20世紀(jì)90年代中后期世界范圍內(nèi)VSF在流量儀表總量中,臺數(shù)約占3%~5%,每年5萬~6萬臺,金額占4%~6%;在我國銷售臺數(shù)約占流量儀表總 量(不包括*表和水 表及玻璃管浮子流量計)的6%~8%,每年1.5萬~2萬臺。

2. VSF的口徑選擇

VSF的儀表口徑及規(guī)格選擇很重要,它類似于差壓流量計節(jié)流裝置的設(shè)計計算,要遵循一些原則進行選擇。儀表口徑選擇步驟如下。
首先必須明確以下工作參數(shù)。
1)流體名稱,組分;
2)工作狀態(tài)的zui大、常用、zui小流量;
3)zui高、常用、zui低工作壓力和工作溫度;
4)工作狀態(tài)介質(zhì)的粘度。
VSF的輸出信號是與工作狀態(tài)的體積流量成正比的,因此如已知氣體流量是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)體積流量或質(zhì)量流量時,應(yīng)把它換算成工作狀態(tài)下的體積流量qv
qv=qn(pnTZ/pTnZn) m3/h                 (9)
式中 qv,qn--分別為工作狀態(tài)和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量,m3/h;
P,Pn--分別為工作狀態(tài)和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的壓力,Pa;
T,Tn--分別為工作狀態(tài)和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的熱力學(xué)溫度,K;
Z,Zn--分別為工作狀態(tài)和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體壓縮系數(shù)。
工作狀態(tài)下介質(zhì)的密度ρ和體積流量qv
ρ=ρn(pTnZn/ pnTZ)                      ?。?0)
式中  ρ,ρn--分別為工作狀態(tài)和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的介質(zhì)密度,kg/m3;
其余符號同上。
qv =qm/ρ                      ?。?1)
式中 qm--質(zhì)量流量,kg/h。
下面需要選擇傳感器口徑。傳感器口徑選擇主要是對流量下限值進行核算。它應(yīng)該滿足 兩個條件:zui小雷諾數(shù)不應(yīng)低于界限雷諾數(shù)(ReC=2×104)和對于應(yīng)力式VSF在下限流量 時旋渦強度應(yīng)大于傳感器旋渦強度的允許值(旋渦強度與升力ρU2成比例關(guān)系),對于液體 還應(yīng)檢查zui小工作壓力是否高于工作溫度下的飽和蒸氣壓,即是否會產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象。
這些條件用數(shù)學(xué)式可表示如下(12-14)

式中 qVmin,qV0min--分別為工作狀態(tài)和校準(zhǔn)狀態(tài)下的zui小體積流量,m3/h;
(qVminρ--滿足旋渦強度要求時zui小體積流量,m3/h;
(qVminυ--滿足zui小雷諾數(shù)要求時zui小體積流量,m3/h;
ρ,ρ0--分別為工作狀態(tài)和校準(zhǔn)狀態(tài)下介質(zhì)的密度,kg/m3;
υ,υ0--分別為工作狀態(tài)和校準(zhǔn)狀態(tài)下介質(zhì)的運動粘度,m2/s;
Pmin--zui小工作壓力,Pa;
△p--zui大流量時傳感器的壓力損失,Pa,
△p=CD(ρU2/2),CD≈2
U--管道平均流速,m/s;
PV--工作溫度下液體的飽和蒸氣壓,Pa。
比較(qVminρ,和(qVminυ
若(qVminυ≥(qVminρ,可測流量范圍為(qVminρ~qVmax,線性范圍為(qVminυ~qVmax;
若(qVminυ<(qVminρ,可測流量范圍和線性范圍為(qVminρ~qVmax
流量測量范圍的確定還應(yīng)檢查是否處于儀表的*工作范圍(即上限流量的1/2~2/3處)。表4示有某型號渦街流量計特定校準(zhǔn)條件下各種口徑的流量測量范圍。

表4 某型號渦街流量計特定校準(zhǔn)條件下流量測量范圍

口徑DN/mm
液體/(m3/h)
氣體/(m3/h)
標(biāo)準(zhǔn)測量范圍
可選測量范圍
標(biāo)準(zhǔn)測量范圍
可選測量范圍
20
1.2~12
1~15
6~50
5~77
25
1.6~16
1.6~18
8~60
8~120
40
2~30
2~48
18~180
18~310
50
3~50
3~70
30~300
30~480
80
15~150
10~170
70~700
70~1230
100
20~200
15~270
100~1000
100~1920
125
36~360
25~450
150~1500
140~3000
150
50~500
40~630
200~2000
200~4000
200
100~1000
80~1200
400~4000
320~8000
250
150~1500
120~1800
600~6000
550~11000
300
200~2000
180~2500
1000~10000
800~18000
注:校準(zhǔn)條件如下:
1.液體:常溫水,t=20℃,ρ=998.2kg/m3,υ=1.006×10-6m2/s。
2.氣體:常溫常壓空氣,t=20℃,P=0.1MPa(絕),ρ=1.205 kg/m3,υ=15×10-6 m2/s。


根據(jù)上述原則選擇的儀表口徑不-定與管道通徑相一致,如不同時應(yīng)連接異形管并配置一段必要的直管段長度。

【例1】空氣流量測量

⑴ 已知條件

zui大流量:2000m3/h(20℃,101.325kPa)
zui小流量:300m3/h(20℃,101.325kPa)
管道內(nèi)徑:80mm
工作壓力:0.5MPa(絕)
工作溫度:60℃

(2)輔助計算



(3) 口徑選擇

比較(qV0minρ和(qV0minυ,
(qV0minρ>(qV0minυ
故可測流量范圍為(qV0minρ~qVmax。
即可測流量范圍為143.7~2000m3/h,由表4查得DN100可滿足要求,這樣VSF口徑與管道通徑不一致,應(yīng)設(shè)置異徑管(擴散管)并配置一段直管段。

【例2】熱水流量測量

(1)已知條件

zui大流量:18m3/h
zui小流量:6 m3/h
工作壓力:0.25MPa
工作溫度:90℃
介質(zhì)密度:965 kg/m3
介質(zhì)粘度:3.32×10-7m2/s

(2)口徑選擇

比較(qV0minρ和(qV0minυ
(qV0minρ≤(qV0minυ
可測流量范圍為(qV0minρ~qVmax。查得DN40、ND50皆可滿足要求,選擇DN40更合適些。

(3)檢查壓力損失

zui大流量時平均流速Umax

查生產(chǎn)廠提供的資料得CD:2.2
則 △p=1.1ρU2max=1.1×965×3.982=0.168×105Pa
不發(fā)生氣穴的zui低工作壓力
p=2.7△pmax+1.3pv=2.7×0.168×105+1.3×0.7149×105=0.138MPa
故由計算可知不會發(fā)生氣穴現(xiàn)象。
飽和水蒸氣的流量測量范圍可由表4所示氣體流量測量范圍用下式求得
             ?。?5)
式中 qm--水蒸氣的質(zhì)量流量,t/h;
qv空--空氣的體積流量,m3/h;
ρ--水蒸氣的密度,kg/m3;
ρ0--空氣的密度,ρ0=1.205 kg/m3
飽和水蒸氣的流量測量范圍如表5所示。
試計算DN100飽和水蒸氣0.8MPa時的流量范圍。
1) 由表4查得DN100流量范圍100~1000 m3/h;
2) 由飽和水蒸氣密度表查出0.8MPa時,ρ=4.162 kg/m3;
3) 計算得

表5 飽和水蒸氣質(zhì)量流量范圍

……

3. VSF的度

VSF的度對于液體大致在±0.5%R~±2%R,對于氣體在±l%R~±2%R,重復(fù)性一般為0.2%~0.5%。由于VSF的儀表系數(shù)較低, 頻率分辨率低,口徑愈大愈低,故儀表口徑不宜過大(DN300以下)。
范圍度寬是VSF的特點,但重要的是下限流量為多少。一般液體平均流速下限為0.5m/s,氣體為4~5m/s。VSF的正常流量在正常測量范圍 的1/2~2/3處。
VSF的儀表系數(shù)不受測量介質(zhì)物性的影響,這是很大的優(yōu)點,可以用一種典型介質(zhì)校驗而應(yīng)用到其他介質(zhì)去,對于解決校驗設(shè)備問題提供便利。但是應(yīng)該看到 由于液、氣的流速范圍差別很大,因此頻率范圍亦差別很大。處理渦街信號的放大器電路中,濾波器的通帶不 同,電路參數(shù)亦不同,因此,同一電路參數(shù)是不能用于不同測量介質(zhì)的。介質(zhì)改變,電路參數(shù)亦應(yīng)隨之改變。
另外,氣體和液體的密度差別很大,旋渦分離時產(chǎn)生的信號強度與密度成正比。因此信號強度差別亦很大,液、氣放大器電路的增益,觸發(fā)靈敏度等皆不一樣, 壓電電荷差別大, 電荷放大器的參數(shù)也不同。即使同為氣體(或液體、蒸汽)隨著介質(zhì)壓力、溫度不同,密度不同,使用的流量范圍不同,信號強度亦不同,電路參數(shù)同樣要改變。因 此一臺VSF不經(jīng)硬件或軟件修改,改變使用介質(zhì)或改變儀表口徑是不可行的。

4. 主要問題

VSF大量使用已有十余年,使用效果不理想,總結(jié)起來主要有以下幾點原因。
1)產(chǎn)品質(zhì)量問題,設(shè)計原理或設(shè)計方案有嚴(yán)重缺陷,產(chǎn)品材料、工藝質(zhì)量不良。尤其近年來,一些生產(chǎn)廠片面追求利潤,產(chǎn)品粗制濫造,敗壞了VSF的聲 譽。
2)儀表選型和使用問題,用戶給定工藝參數(shù)不準(zhǔn)確,使得選型不當(dāng);安裝地點選擇有問題,安裝不符合規(guī)定要求。
3)現(xiàn)場調(diào)整問題,現(xiàn)場投運缺乏調(diào)整或調(diào)整不當(dāng),正確的調(diào)整是用好的關(guān)鍵。

5. 適用的情況

VSF不適用于測量低雷諾數(shù)(ReD≤2×104) 流體。低雷諾數(shù)時斯特勞哈爾數(shù)隨著雷諾數(shù)而變,儀表線性度變差,流體粘度高會顯著影響甚至阻礙旋渦的產(chǎn)生,選型的一個限制條件是不能使用于界限雷諾數(shù)之 下。
VSF適用的流體比較廣泛,但對于流體的臟污性質(zhì)要注意。含固體微粒的流體對旋渦發(fā)生體的沖刷會產(chǎn)生噪聲,磨損旋渦發(fā)生體。若含有的短纖維纏繞在旋渦 發(fā)生體上將改變儀表系數(shù)。
VSF在混相流體中的應(yīng)用經(jīng)驗還少,一般可用于含分散、均勻的微小氣泡,但容積含氣率應(yīng)小于7%~10%的氣、液兩相流,若超出2%就應(yīng)對儀表系數(shù)進 行修正??捎糜诤稚ⅰ⒕鶆虻墓腆w微粒,含量不大于2%的氣固、液固兩相流??捎糜诨ゲ蝗芙獾囊阂海ㄈ缬秃退﹥山M分流等。
脈動流和旋轉(zhuǎn)流會對VSF產(chǎn)生嚴(yán)重影響。如果脈動頻率與渦街頻率頻帶合拍可能引起諧振破壞正常工作和設(shè)備,使渦街信號產(chǎn)生"鎖定(1ock-in)" 現(xiàn)象,這時信號固定于某一頻率。"鎖定"與脈動幅值、旋渦發(fā)生體形狀及堵塞比等有關(guān)。VSF的正常工作的脈動閾值尚待試驗確定。80年代以來國內(nèi)外流量測 量工作者已對VSF在混相流、脈動流中的應(yīng)用開展許多試驗研究,標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)已發(fā)布的技術(shù)報告中亦關(guān)注這方面內(nèi)容。

6. 經(jīng)濟性

在眾多的流量計中,VSF的經(jīng)濟性較好,是一種經(jīng)濟實惠的流量計。VSF的基本性能處于中等偏上水平,購置費低于質(zhì)量式、電磁式、容積式等,而安裝、 運行、維護費低于節(jié)流式、容積式、渦輪式等,如僅作為控制系統(tǒng)檢測儀表可采用干校方式節(jié)省周期校驗費用。

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