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涡街流量计的应用问题

分类:工程案例
作者:WINI
来源:本站
发布时间:2022-11-20 14:28:42
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一、涡街流量计的原理

      1、涡街流量计的测量原理在于:卡门涡街的漩涡个数与流量呈简单的线性正比关系,通过对卡门涡街的漩涡计数,即可得到流量。

      2、流量计铭牌上给出的仪表系数的含义在于:??个漩涡=1m³。

二、涡街流量计的原理特点

      1、在宽广的雷诺数范围之内,仪表系数不变,构建高精度的基础,因此:

      (1)可气液通用

      (2)无需实液标定:采用任何可测流体标定结果,可直接用于实际测量,无需修正

      (3)无需对流体特性进行修正,即可高精度测得工况体积流量。

      2、量程比仅限于雷诺数范围以及精度等级的要求,可实现数百比一的量程比

      3、数字式原理,可获得极低的重复性误差

      4、低压力损失,具备优良的节能效力

三.   涡街流量计的构成

      1、流通管(流量计本体)及涡街发生体——用于产生稳定度最高的两列交差排列的漩涡列,即卡门涡街。

      2、传感器——将漩涡转换成电信号.

      3、信号处理系统——对传感器信号进行处理,剔除各类干扰信号,识别出漩涡个数

      4、信号的变送部份——将流量信号变换为标准信号(如4~20mA、Hart、FF),向其他设备(如DCS)传送流量数据。


(涡街流量计的构成)

四.   涡街流量计的原理性限制:

      1、必须能产生卡门涡街,且斯特罗哈尔数的变化低于标称的精度等级。因此,流场必须为紊流场,即流体雷诺数须大于2300,因此限定涡街流量计不可用于黏稠液体。通常,对于粘度超过10cP的液体须核算雷诺数。

五.   涡街流量计实际产品的选用限制

      1、振动干扰问题

      (1)原理

                  a. 为保证传感器在工业现场应用中必须的耐污性能、耐高低温性能、长期可靠稳定等重要指标,曾经使用的热敏式、磁敏式、激光尾流检测式、超声波尾流检测式等方式被普遍放弃,采用力敏方式进行旋涡重复频率的检测成为首选方式,却因此导致传感器同时对机械振动敏感。

                  b. 工业现场无处不在的机械振动,在频谱范围、幅度特性等方面与涡街信号无特征差异,难以区分,并且,常与涡街信号共有侵入途径。

                  c. 当流量信号降低到与振动干扰信号幅度相当时,涡街流量计将干扰信号或干扰信号与流量信号的混合信号误识为流量信号,呈现数字信号特有的“崩溃”现象,使得流量测量呈现极大误差甚至还会连流量变化趋势都不能反映,完全不能使用。

                  d. 由于漩涡升力的强度与流体流速的平方成正比,同时与流体密度成正比,流速越低、流体密度越低,流量信号越为微弱,振动干扰影响愈为强烈。

                  e. 如欲测量低流速的低压气体流量,涡街流量计的传感器灵敏度必须与麦克风相当,此时,即使是人已很难感受的机械振动所产生的干扰信号,强度往往已超过流量信号,致使测量失败。

                  f. 涡街流量传感器对机械振动敏感的问题,令其应用范围大为减少,对于抗振能力低于0.5g的产品,在进行液体流量检测时,如流量高于0.6m/s,振动不强烈,基本可以运行良好,而在进行气体流量检测时,常因气体密度低,漩涡升力微弱,低于15m/s的流量信号很容易淹没在各类干扰之中,将难以识别。

      (2)表现

                  a.零点不稳,无流量,有指示

       不同于差压式流量计、电磁流量计、科氏力质量流量计、超声波流量计等模拟式流量计,涡街流量计原始信号本源上是数字式,是通过识别漩涡的有无,进而对漩涡进行计数得到流量,单位时间內的漩涡数量代表瞬时流量,因此小流量对应的涡街流量信号是低频信号,而非简单的小信号,而振动干扰却未必是低频,通过小信号截除的方式基本不能消除零点不稳。


(图2:振动干扰下,半水煤气总管“涡街信号”,管径2200mm)

(图3:高分辨率干扰信号频谱识别及抑制系统从图2信号中提取到的真正涡街信号,流速低至0.25-1m/s)

       由于涡街信号的强度与流速的平方成正比关系,有效的处理方式是通过降低信号增益(即降低涡街流量计的灵敏度),将强度与干扰信号相当的流量信号与干扰信号一同舍弃,以保证零点的稳定,但将直接导致测量下限升高。

                  b.测量下限过高,有流量,无指示

       为维持零点,须通过降低信号增益(即降低涡街流量计的灵敏度),将强度与干扰信号相当的流量信号与干扰信号一同舍弃,但是如果抗振动干扰的能力不足,很容易出现常用流量时的流量信号依旧弱于振动干扰信号,为维持零点抑制干扰,导致流量信号一并被抑制,流量计测量下限超过实际流量,产生“有流量,无指示”的现象,致使测量失败。

                                不同于差压式仪表,限于卡门涡街稳定性的基本原理,以及产品国标中对于压力损失的限定,基本不能通过改变结构、尺寸来改善测量下限。


(典型的“有流量,无指示”现象)

                  c.测量误差严重,甚至连流量变化的趋势也不能反应

                                 误将振动干扰识别为涡街信号,流量计给出的示值正比于干扰信号频率,与实际流量无关,常表现为:流量变化,而示值不变,测量失败。

                                 误将振动干扰信号与流量信号的混合信号识别为涡街信号,流量计给出的示值产生无法预计的误差。常见的变现是:流量计示值剧烈波动。


(包络线含流量信息,其他为干扰)

      2、量程比问题

      (1)选用涡街流量计的重要原因在于:优于差压式流量计的量程比,而量程比直接来源于更低的测量下限,以及更高的测量上限。

                  a.抗振能力直接制约测量下限

       小流量时涡街信号微弱,极易与干扰混淆,甚至湮没在干扰信号之中,提高抗干扰能力是解决问题的唯一途径。涡街流量计的干扰信号主要来源于机械振动及电磁干扰,其中,电磁干扰因其侵入途径异于涡街信号,易于消除。(值得一提的是:由于特定的背景环境,国产涡街流量计在抗电磁干扰方面普遍优于进口产品)而振动干扰因其侵入途径、信号特征与涡街信号相同,难于分辨,涡街的干扰问题核心依旧是振动干扰。

       影响涡街流量计测量精度的斯特罗哈尔数的稳定性受限于雷诺数,在现场,主要的影响来源于流体粘度,而非流体密度、流速,担心低密度、低流速气体不能产生涡街的想法是不正确的,对于大多数管径的工业管道,气体因粘度极低,即使在极低流速(如0.2m/s),雷诺数依旧远超涡街流量计的要求。低粘度液体因其高密度,也同样易于满足涡街流量计对雷诺数的要求。

                  b.传感器强度及信号处理系统带宽制约测量上限

       由于漩涡升力与流体流速的平方呈正比,随流速升高,涡街流量计传感器受力急剧上升,流速提高30倍,传感器受力将提升900倍,涡街信号的这种基本特征显然要求传感器在具备极高灵敏度的同时,必须具有足够强度,确保安全。但传感器的高强度又难于兼顾小流量所需的高灵敏度,更大的破坏还来源于高频涡街导致传感器共振,致使传感器性能衰竭甚至断裂,威胁下游设备的安全。直接限制涡街流量计的测量上限。

       量程比也直接受限于信号处理系统的带宽,为实现4~20mA两线制标准,必须严格限制电子线路耗电,而电子线路耗电与带宽密切关联,进一步限制涡街流量计的测量上限。

       随流速升高,流动噪音随之增高,漩涡列的稳定度随之下降,涡街流量计漏计漩涡的比例大幅升高,产生“漏波”现象,表现为:流速超过产品上限时,流量越大、指示越小的“倒走”现象,测量失败。

      (2)现场实践表明:抗振能力低于0.5g的涡街流量计,在实际应用中,测量下限通常还达不到标准孔板的水平,靠上限的优势取得优于差压式流量计的量程比,常需承担传感器断裂、流量计示值“倒走”的风险,难于实现期待的量程比。

      (3)从制造商的产品样本及第三方检定证书数据很容易发现:宽量程比的涡街流量计,必然具备优良的抗振能力。

      (4)涡街流量传感器不同于差压式仪表,限于卡门涡街稳定性的基本原理,无法通过改变结构、尺寸来进行测量范围的迁移,每种管径规格涡街流量计的流量可测量范围完全依赖量程比范围。

      (5)正因限制涡街流量计量程比的因素复杂,市场产品差异巨大,多数产品量程比在5~10 : 1,高端进口产品基本在15~17 : 1,距离选择涡街流量计的初衷依旧存在明显不足。

      3.其他选用问题

                  a.直管段长度的需求:包括进口产品在内的绝大多数涡街流量计,对于所需直管段长度的描述来源于废止的孔板标准,缺乏依据,实际应用中,宜谨慎甄别。由于大多数涡街流量计采用的是单根“三角柱”涡街发生体,对于直管段的实际要求如存在明显差异,缺乏依据。

                  b.冗余结构的涡街流量计,可能精度及稳定性明显下降,与选用的初衷背道而驰,宜要求第三方检定。

                  c.检测低温(如LNG)、高温(如水蒸汽)的涡街流量计,往往存在传感器灵敏度快速衰落、甚至寿命过短的问题,不实的耐高温指标声明普遍存在,即使是进口产品。

                  d.接液材质、法兰标准、通讯接口等其他非涡街流量计特有性能指标,参考样本选择即可。