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涡街流量计仪表系数变化原因与解决方案
发布时间:2018-11-08

  摘要涡街流量计仪表系数变化的因素主要有温度、雷诺数、管径差异、旋涡发生体阻流件尺寸的改变,通过对以上因素进行详细分析,给出解决措施。
0引言
  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。由于其具有准确度高、测量量程宽、结构简单、安装方便、可靠性好,其输出的脉冲频率信号与流量测量值成正比、无零点漂移,且脉冲频率信号不受流体组分、密度、压力、温度的影响,广泛应用于各种气体、液体及蒸汽介质流量的测量。但在实际使用中,由于各种因素的影响,会使其仪表系数发生变化。
1工作原理
  在流体中安放旋涡发生体,流体在旋涡发生体下游两侧交替地分离释放出两列有规律的交替排列的旋涡,在一定的雷诺数范围内,该旋涡的频率与旋涡发生体的几何尺寸、管道的几何尺寸有关,旋涡的频率正比与流量,此频率可由探头检出。
f=Sr×v/b(1)
  式中:b为阻流件的宽度,m;v为经流量计的流体平均流速,m/s;f为旋涡的频率,Hz;Sr为斯特罗哈尔数。
涡街流量计一段时间内输出的脉冲数与流过流体的体积量之比,称为仪表系数,用K来表示:
K=N/Q(2)
式中:K为仪表系数,(m3)-1;N为体积总量对应的脉冲数;Q为体积总量,m3。
当涡街流量计用来测量瞬时流量时:
qv=f×3600/K(3)
K=f×3600/qv(4)
式中:qv为体积流量值,m3/h。
  由以上公式可知,仪表系数K一但发生变化,将直接影响到流量测量的准确性。仪表系数K一般由实验室通过气体或液体实标得到,但涡街流量计在现场使用时,由于各种因素的影响,其仪表系数也会相应的发生变化。为了提高流量测量的准确性,有必要对引起仪表系数变化的因素进行分析并提出解决措施。
2温度对涡街流量计仪表系数的影响
  流体温度变化通过两个因素对涡街流量计的仪表系数产生影响。一是温度变化后,旋涡发生体阻流件的宽度b也会相应变化,流体以相同流速经过旋涡发生体时,其输出的频率也会相应的增加或降低;二是温度变化后,涡街流量计的管道内径也有变化,其截面积会相应的增大或减小,当相同体积的流体流过流量计时,流速会降低或增加。
上述变化可通过数学方法进行分析。流速与涡街流量计管道内径的关系为:

  由于b的增量与温度成正比,D的增量也与温度成正比,所以仪表系数K与温度增量的三次方成反比。温度对仪表系数的影响可通过以下公式进行修正:

  式中:Kt为流体温度为t时的仪表系数,(m3)-1;K0为流量计标定时t0时的平均仪表系数,(m3)-1;βD为流量计测量管材质线膨胀系数,℃-1;βb为旋涡发生体材质线膨胀系数,℃-1;t为流量计工作时温度,℃;t0为流量计标定时温度,℃。
当流量计测量管与旋涡发生体材质相同时,即
βD=βb=β,上式变为:
Kt=[1-3β(t-t0)]K0(7)
  国产流量计一般采用不锈钢材质制造,其线膨胀系数约在17×10-6/℃左右,表1给出了流量计采用不锈钢材质在不同温度下系数的变化。

  由表1可以看出,当流体温度大于100℃时,仪表系数的变化是可观的,当涡街流量计是用来测量饱和蒸汽(170℃)和过热蒸汽(280℃)时,由于仪表系数变化引起的误差将大大降低测量的准确度。
  解决此问题的方法一是按照流体的实际温度重新计算仪表系数,二是用于测量饱和蒸汽和过热蒸汽等温度过高的流体时,用实际流体(蒸汽)的温度来进行仪表系数的标定。
3雷诺数对涡街流量计仪表系数的影响
  涡街流量计的斯特罗哈尔数(Sr)是管道雷诺数(Re)的函数,Sr是通过试验确定的无因次数,其与Re的关系如图1所示。
  由图1可知,只有当Re达到一定数值时,即Re在2×104~7.2×106,Sr才能进入其恒定范围,曲线的平直部分对应涡街流量计的正常测量流量的范围,在此范围内,Sr基本不变,涡街频率与流速成正比,此时,只要确定旋涡发生体和管道的几何尺寸,仪表系数就不会发生改变。
涡街流量计斯特罗哈尔与雷诺数关系曲线图
  当Re小于5×103时,涡街频率将不能发生或不能稳定的发生。此范围就不适合进行流量测量了。
  当Re在5×103~2×104范围内时,涡街频率也能稳定的发生,但Sr增大了,仪表系数也相应增大,从而影响了测量的准确度。此时,需对仪表系数进行校正才能保证测量的准确度。
  由以上分析可知,正确的使用流量计,要正确地确定流量计的下限流量范围,下限雷诺数一般为2×104,其对应的下限流速一般气体为4~5m/s,液体为0.4~0.5m/s。因此一般确定下限流量应保证介质流速大于上述流速。
当介质粘度、密度与常用介质相差较大时,应进行雷诺数计算。当发现涡街流量计使用在低雷诺数(5×103~2×104)范围内时,或希望涡街流量计有较大的量程比时,为保证测量的准确度,应对仪表系数进行校正。
  为了提高低雷诺数区域涡街流量计的测量准确度,可通过实验室对流量计的标定,获得各个区域的仪表系数。标定时,对低雷诺数区域各点的流量进行标定,计算出各个区域的平均仪表系数,然后与正常的仪表系数相比,这就是校正系数,将校正系数与雷诺数一一对应。实际使用时,根据现场的实际参数计算出相应的雷诺数,并用内插法计算出雷诺数对应的校正系数,从而实现对仪表系数的校正。YF100系列涡街流量计在低雷诺数范围内的校正系数如表2所示。
  雷诺数影响的校正一般有两种方法。一是在流量计的二次仪表中进行,适用于涡街流量计本身无校正能力的测量系统。二是在涡街流量传感器(变送器)中进行,适用于涡街流量计本身有校正能力的测量系统。

  当雷诺数大于7.2×106,其对应的上限流速一般气体大于80m/s,液体大于8m/s时,流量计会出现漏脉冲现象,即流速大于上限流速后,涡街流量计输出的频率与流速成正比的关系被破坏,且流速越高,漏脉冲现象越严重,流量计示值越低。
4管道内径与涡街流量计测量管内径不同时对仪表系数的影响
  名义尺寸相同的无缝钢管,由于壁厚规格差异大,内径也会产生较大差异,这使连接涡街流量计的管道内径与涡街流量计测量管内径完全一致的并不多。
4.1管道内径比测量管内径大(3%以内)时的影响
  在实际标定中发现,当管道内径比测量管内径略大时,流量示值稳定,仪表系数正常。虽然流体流过台阶时也有二次流产生,但因二次流存在的部件在测量管之外,所以对流量计的影响不明显。
4.2管道内径比测量管内径小(3%以内)时的影响
  当流体以很高的流速从管道流经内径较大的测量管时,由于惯性作用,流束来不及膨胀,撞击在旋涡发生体上,引起二次流,使得流量示值偏高。此误差可通过修正系数FD进行修正:

4.3管道内径与测量管内径相差较大时的影响
  当二者相差较大时,由于流体经过这种突变造成的流体扰动使得涡街流量计的测量变得不再稳定和可靠,造成的误差无法通过仪表系数的修正来补偿。此时,需要对原有管道进行改造,安装同心异径管,使之与流量计测量管内径相匹配,或按照管道尺寸定制流量计。
5旋涡发生体阻流件尺寸的改变对仪表系数的影响
  在下列两种情况下,旋涡发生体阻流件的尺寸会发生改变。
1)旋涡发生体阻流件有堆积物
  如果被测流体中存在黏性颗粒或夹杂着较多纤维状物质时,则可能会堆积在旋涡发生体阻流件上,使其几何形状和尺寸发生变化,因而仪表系数也会发生变化。据相关模拟试验结果,当阻流件上堆积物厚度为0.01D时,附加误差为2%,堆积物厚度为0.
2)旋涡发生体阻流件有磨损
  涡街流量计旋涡发生体阻流件的两条棱边正常情况下是锐利的,如果流体中含有固形物,长期使用后其锐缘很容易被磨损而变成圆弧,由于阻流件几何形状和尺寸发生变化,因而仪表系数也会发生变化。
  一旦发现阻流件有堆积物时,应及时清除。当发现旋涡发生体阻流件有磨损时,应对流量计的仪表系数进行重新标定,当磨损特别严重时,应考虑更换旋涡发生体。
6结束语
  以上就是一些影响涡街流量计仪表系数变化的因素,我们能做的就是注意这些可能发生的因素,并加以改善,尽量避免这些现象的产生,从而提高涡街流量计测量的准确性。

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