[摘要]文章介紹(shao)差動開關電容式(shì)渦街流量計 的結(jié)構原理及其在蒸(zhēng)汽計量中的實際(jì)應用，并對安裝使(shǐ)📱用過程中較容易(yì).疏忽的一些問題(tí)進行分析。
　　随着能(néng)源短缺時代的到(dao)來以及人們環保(bao)意識的㊙️不斷🌂提高(gao)和對安全生産的(de)高度重視，集中供(gòng)熱事業得到快🧑🏽‍🤝‍🧑🏻速(sù)發㊙️展。熱能變成一(yī)種商品，供汽和收(shou)費自然成⛹🏻‍♀️爲熱力(li)💚公司的根本，蒸汽(qi)計量顯得越來越(yue)重要。
　　熱力公司面(miàn)向廣州經濟技術(shu)開發區、高新區、出(chū)口加工區🔞和保稅(shui)區的集中供熱企(qǐ)業，熱源有廣州恒(heng)🆚運集團熱電(A、B、C、D)廠的(de)二次蒸汽和熱力(li)公司自建的3台蒸(zheng)汽鍋✌️爐，供汽能力(lì)達🏃‍♀️300t/h,蒸汽管網總長(zhang)約50kmn,蒸汽用戶📱目前(qián)以區内的50多家工(gōng)廠企業爲主。工業(yè)用戶的特👈點是:(1)各(ge)用戶的蒸汽用量(liàng)相差很大，小的不(bu)足1t/h,大的🈲高達50t/h,相應(yīng)的蒸🈲汽流量計口(kou)徑大小從DN10~DN300mm;(2)連續生(sheng)産連續用汽，尤😘其(qí)是一-些大用戶，若(ruò)意外停汽将會造(zào)成重大的經濟損(sǔn)失，(3)流量變化量大(dà)，視生産時段而定(ding)🚩。因此，對蒸☔汽計量(liang)儀表選型的基本(ben)要求是:穩定可靠(kao)、量程比寬、精度.高(gao)、維護工作量少。近(jin)幾年來，我們采用(yong)以差動開關電容(róng)式渦街流量計爲(wèi)基礎的蒸🔴汽流量(liang)測量系統，取得明(ming)顯的效果和經濟(ji)效益。
1差動開關電(diàn)容式渦街流量計(jì)
1.1基本工作原理
　　渦(wō)街流量計 是基于(yu)“卡門渦街”原理實(shi)現流量測量的儀(yi)表。
　　在流體的管路(lù)中設置非流線型(xíng)柱狀阻力部件，在(zai)🌂某一雷諾🔞數Re範圍(wéi)内，其下遊兩側将(jiāng)産生旋渦分離現(xiàn)象，形成☁️兩排交替(ti)出現的旋渦列并(bìng)依次向下遊流.去(qu)，連續不斷，好象--條(tiao)由旋渦🔞組成的街(jie)道，形象地稱爲鍋(guo)街”。當渦列寬度h與(yu)同列相鄰兩旋✂️渦(wō)的間距L之比滿足(zú)h/L=0.281時🌈，這樣的渦街陣(zhen)列幾何結構才穩(wěn)定，稱👨‍❤️‍👨爲卡門渦街(jie)👣。産生旋渦分離的(de)阻力部.件稱爲旋(xuán)渦🌂發生體見圖1)。當(dāng)旋渦發生體爲三(san)角柱體時，其旋渦(wo)分離頻率f(單位:Hz)和(hé)管道内平均流速(sù)v旋渦發生體迎流(liu)面寬度d之間關系(xi)爲:
f=St.ʋ1/d=St.ʋ/[(1-1.25d/D).d](1)
　　式中:St爲斯特勞(lao)哈爾數無量綱)，在(zài)一定Re範圍内，st爲常(chang)數;ʋ1爲發生體兩側(ce)流體的平均流速(su)，m/sD爲管道内徑，m;d/D爲🚶‍♀️柱(zhù)寬比，即旋渦發生(sheng)體寬度與管徑之(zhī)比值;v爲旋渦🏃‍♀️發生(shēng)體前平均流速,m/s。
 
　　因(yin)管道中平均瞬時(shí)流量qv[m3/h]與管徑D和平(píng)均流速v關系爲🚩:
 
　　實(shí)驗表明，當雷諾數(shù)Re≥20000時,斯特勞哈爾數(shu)st基本爲恒定值，如(ru)三角柱發生體st=0.16,另(ling)一方面,對于給定(dìng)形式的具體儀❄️表(biao)，其幾何尺寸D、d和相(xiàng)互關系等已确定(ding)，故儀表系數K值也(ye)确定，與流體⛱️物性(xìng)和組分無關。所以(yi)操作狀态體積流(liu)量qv與旋渦頻率ƒ成(chéng)線性比例🔞關系:
qv=ƒ/K(5)
　　由(you)此可見，隻要正确(què)檢測旋渦頻率便(bian)可得知體積流量(liàng)🈲，這就是渦街流量(liang)計的檢測基礎和(hé)基本工作原理。而(ér)如何正确檢⭐測旋(xuán)渦頻率則成爲決(jue)定渦街流量計整(zheng)體性能的關鍵，各(gè)種🔆渦街流量計的(de)明顯區别也在于(yu)采用的檢測技術(shu)元件)不同，如從早(zao)期🔴熱敏電阻元件(jiàn)的熱敏式渦街流(liú)量計，後來市場較(jiao)💜多的壓電晶體元(yuán)件的應力式渦街(jiē)流量計，到近期發(fā)展起來的差動開(kai)關電容式渦街流(liu)量計等等。
1.2結構原(yuán)理
　　差動開關電容(róng)式渦街流量計(以(yǐ)下簡稱電容式渦(wō)街)采用差動開關(guan)電容傳感器(以下(xia)簡稱DSC傳感器)檢測(ce)卡門渦街産生的(de)旋渦頻率信号。整(zhěng)個信号檢測處理(lǐ)過程如圖2。
 
　　DSC傳感器爲外置(zhi)懸臂式結構(圖3)，獨(dú)立于.儀表旋渦發(fā)🌍生🙇‍♀️體但又❌徑向插(cha)入發生體的中心(xin)孔中，并與兩側導(dao)壓孔連通，以檢測(cè)卡門旋渦壓力的(de)變化。它實質是一(yi)個🛀電容式機-電轉(zhuan)換器。
 
　　外觀爲圓簡(jian)形且下端密封而(ér)管壁又很薄的振(zhèn)動🛀🏻舌作爲✂️電容器(qi)的公共電極，其内(nei)部有兩個附于同(tong)🔞---支座下端但又相(xiang)互絕緣的弧狀形(xíng)電極。這兩個電極(jí)與公.共電極振動(dong)舌内壁之🌈間保留(liu)有充滿空氣的微(wēi)小間隙，構成兩❌個(ge)電容器，電介質爲(wèi)空氣，其電㊙️容的大(dà)小與電極和振動(dòng)舌内壁之間的距(jù)離成反🧑🏽‍🤝‍🧑🏻比。當振動(dòng)舌發生形變或位(wei)移時就會使兩個(ge)🏃🏻電容失去平衡，産(chǎn)生差動電容♋。
　　當旋(xuan)渦産生時在兩側(ce)形成微小壓差，旋(xuan)渦壓力使振動舌(she)發生⛱️左右撓性振(zhèn)動，由于内部兩個(gè)電極及其支座仍(réng)固定不動，從而一(yi)個電容間隙增大(da)(電容量變小)，同時(shí)另一電容🌈間隙減(jian)小(電容量變大)，反(fǎn)之亦然，也即💚導緻(zhi)兩電容的大小因(yin)距離相對變化而(er)⛹🏻‍♀️發生周期性的變(bian)化，産生了差動信(xìn)号。這也是差動👉開(kai)關電容檢測電路(lu)所檢測到的唯一(yī)信号。差動信👨‍❤️‍👨号呈(chéng)正弦☀️波形式，經前(qian)置放大器處理後(hou)以PEM(脈沖頻率調劑(ji))脈沖信号形式輸(shū)出。
2.3性能特點
　　當管(guan)道發生振動時，振(zhèn)動的慣性力同時(shi)作用在振❄️動舌👄和(he)電極上，使它們在(zai)同方向上産生形(xíng)變，由于振動🥵舌與(yu)兩個電極㊙️及支座(zuò)的振動特性和幾(ji)何結構相匹🔞配，它(tā)們對于外🔞部振動(dòng)的響應是同步的(de)，即形變量相-緻，兩(liang)個電容間隙沒有(you)相對變化，故不産(chǎn)生差動信号，因此(ci)能夠消除任何方(fāng)向、頻率≤500Hz加速度☔≤1g的(de)強機械振動的影(yǐng)響。
　　應用現代工程(chéng)材料與方法，使其(qi)工作溫度範圍擴(kuo)展至-200℃~+400C,而且不存在(zài)破裂、老化等問題(tí)，能夠承受得住高(gāo)達100℃/s的熱沖擊。振動(dong)舌的😍管壁很薄，因(yīn)此靈敏度很⁉️高，即(jí)流速下限💞可以很(hěn)低(介質爲水時，流(liu)速爲0.2m/s);又因爲振動(dong)舌爲圓簡形不鏽(xiu)鋼，機械結構堅固(gu)，可以耐✂️高流速旋(xuan)渦🔆的壓力作用🥵，所(suo)以流速上限較高(gao)(介質😍爲水時，流速(sù)🈲爲9m/s.介質爲蒸汽和(hé)氣體時，流速爲75m/s)。由(you)于兼顧了流速的(de)兩個極端🚶，因此量(liang)程🔴比很.寬(最高可(kě)達40:1)。
2溫度壓力補償(chang)與測量系統
　　渦街(jiē)流量計 是一種速(su)度式流量計，其直(zhí)接檢測結果是給(gei)出操作狀态下的(de)體積流量，在其測(cè)量範圍内，這種體(tǐ)積流量不受流體(ti)溫度、壓力、密度、粘(zhān)度、成分等性質變(biàn)化所影響，因而是(shi)正确的，不需要任(rèn)何溫度、壓力補償(cháng)。但工程‼️上測量蒸(zhēng)🌏汽流量時習慣上(shang)以質量流量♌qm，單位(wei)用kg/h或t/h表示，所以上(shàng)述體積流量qv需要(yào)引入蒸汽密度Q(p,T)參(can)數進行折算:
 
　　而蒸(zheng)汽密度Q是直接受(shou)到蒸汽工作狀态(tai)如溫度T、壓力🧑🏽‍🤝‍🧑🏻p等影(ying)響🔴的，例如溫度爲(wèi)190℃的蒸汽，當壓力由(yóu)1.IMPa上升到1.2MPa時，其密度(dù)🌐約增大了10%,可見，蒸(zheng)汽性質變化或操(cao)作條💯件波動時會(hui)産🈲生一定的附加(jiā)🤟誤差。因此在體積(jī)流量檢測的同時(shí)還要🍉進行溫度🚶‍♀️壓(ya)力的檢測，也即通(tōng)🐉過T、p對Q進行實時補(bu)償以消除系統的(de)附㊙️加誤差，保證最(zuì)終需要的💁檢測結(jié)果即質量流量的(de)正确率，而這🈲些補(bǔ)償運算工作㊙️均在(zai)流量積算儀中自(zi)動完成。所🌏以，應用(yong)渦街流量計測量(liang)蒸汽流量時，溫度(du)壓力補償是很有(yǒu)💃必要的。
　　在本測量(liang)系統中，蒸汽的體(tǐ)積流量qv壓力p和溫(wen)度T分别通🌍過電容(rong)式渦街流量計、壓(ya)力變送器和熱電(diàn)阻(P1100)的檢測而轉換(huàn)爲PFM脈沖、4~20mADC和電阻值(zhi)信号，并同時輸入(rù)💃現場的智能流量(liàng)積算⁉️儀進行運算(suàn)和顯示，其讀數即(ji)爲補償🧑🏽‍🤝‍🧑🏻後的蒸汽(qì)質量流量qm。
　　此外，由(you)于蒸汽用戶分散(san)并且距離較遠，給(gěi)管理帶來🤩了諸⚽多(duo)不便，爲此我們利(li)用流量積算儀的(de)通訊功能(RS485)和專網(wǎng)無👈線傳輸技術，與(yu)上位計算機(智能(néng)終🔴端)構成網絡，将(jiang)各測量點的計量(liang)數據實時傳輸到(dào)熱力公司的主機(ji)中進行監控與儲(chu)存，可❄️在主機中随(sui)時查詢任何一個(gè)用戶點的流量、壓(ya)♊力、溫度等參數和(hé)掉電情況，從而實(shi)現了遠傳監控管(guan)理，也成爲企業信(xìn)息化建設🐪的一部(bù)✊分。
　　綜上所述，每個(ge)測量點的系統構(gòu)成如圖4。
 
3應用實例(li)
　　在50多個測量點中(zhong)，下面是幾種典型(xing)的應用例子。
3.1大流(liu)量、長管線
　　某公司(sī)分别采用電容式(shi)渦街DN200、DN250,蒸汽流量在(zai)20~30t/h之間，蒸汽管線長(zhǎng)約5km,位于熱源點末(mò)端，有時蒸汽處于(yu)過熱與飽和的臨(lín)界狀态，但運行一(yi)直很正常。
　　另一用(yong)戶麥芽公司的管(guǎn)線長約3km,在設計階(jiē)段，由于對☂️蒸🔞汽用(yong)量估算不足，僅采(cǎi)用DN200電容式渦街，但(dàn)實際使用時，其蒸(zhēng)汽用量大大超出(chū)原設計用量，正常(chang)30t/h左🐕右，有時💯甚至達(da)到40t/h以上。過大的流(liu)量，造成管線中的(de)🧡蒸汽流速❌極高(現(xiàn)場常可聽到管道(dao)中的銳嘯聲),這對(duì)該電容式渦街的(de)性能🌂提出較高的(de)要求，但使用♈以來(lái)，一直運行良好。
3.2大(da)管道、小流量
　　根據(ju)長遠的用汽規劃(hua)，鋪設DN250蒸汽管道并(bìng)選用DN200電容式渦💋街(jiē)，雖☔然目前建廠初(chū)期蒸汽用量僅5~10t/h,相(xiàng)對于DN200電容式渦街(jie)而言流量⛱️偏小，卻(què)仍然落入其測量(liàng)範圍之内，故理論(lùn).上能準确計量。爲(wèi)便于了解該渦街(jiē)運行情況，熱㊙️力公(gong)司在同一管道的(de)供汽端加裝了--台(tái)💚應力式渦街🏃‍♀️流量(liàng)計采用壓電晶體(ti)傳感器)作爲比😄較(jiào)，但由于小流量丢(diu)失、穩定性差等原(yuán)因，其讀數誤差達(da)5%~30%，顯然，這種數👨‍❤️‍👨據已(yi)失去參考價值;後(hou)來換裝成電容式(shì)渦街，結果兩🐪台電(dian)容式渦街的測量(liàng)數據基🛀本保持一(yī)緻。
3.3流量變化大
　　大(dà)多蒸汽管道尺寸(cun)較小的蒸汽用戶(hù)均存在蒸汽用量(liang)變化大🧑🏽‍🤝‍🧑🏻的特點，因(yīn)爲這些用戶主要(yao)集中在加熱攪✏️拌(ban)、烘烤及酒店、生活(huó)🆚區等行業，如慧達(dá)化工、秉✏️信紙業🙇‍♀️、捷(jié)普生活區、新港碼(ma)頭等單位❤️，蒸汽用(yong)量因🌂不同季節(如(ru)冬天多🏃‍♂️，夏天少)和(hé)☎️不同時段(如做飯(fan)、洗❤️澡時用量多💘,其(qí)餘時間用量少)差(chà)異非常大，如果安(ān)‼️裝傳統孔闆🈲流量(liàng)計，需要2~3套進🔴行切(qiē)換，而渦街1套便可(ke)滿足要求。以秉信(xìn)紙業公司爲例，在(zài)滿負荷工作時，其(qí)用汽量可達到3t/h,當(dāng)處于用汽低峰時(shí)，其用汽量不足0.1t/h,所(suo)以要求流量計具(ju)有非常寬的量程(cheng)比，否則将會造成(chéng)小流量的丢失，但(dan)從現場安裝的DN80電(diàn)容式渦街運行情(qíng)況看，幾乎不存✉️在(zai)什麽小流量丢失(shī)的問題，因而避免(mian)了供汽用汽雙方(fāng)🌈因計量不準而引(yin)起的糾紛♌。
3.4管道機(ji)械振動
　　現場蒸汽(qi)管道總是存在一(yi)些振動現象，由于(yú)機器🆚設備運轉或(huo)車輛行駛等引起(qǐ)的管道機械振動(dòng)更是難以避免，最(zui)🙇🏻典型的就是力嘉(jia)公司和綠箭香口(kǒu)膠公司兩家蒸汽(qi)用戶，它們的廠區(qū)緊靠馬路，蒸汽支(zhī)管線都不可避免(mian)要經過交通主幹(gàn)道🔴。前者原來使用(yòng)DN25應力式渦街，結果(guo)常🏃‍♂️常能根據現☎️場(chǎng)突變的檢💘測信号(hào)(反映爲瞬時流量(liang)讀數㊙️急增)而準确(què)預測到大型車輛(liàng)正在經過，這說明(ming)其很容易受振動(dong)幹擾;後者安裝DN80電(dian)容式渦街流量計(jì)，其在同樣有大型(xíng)車輛經過時，其顯(xian)示值卻🈲沒有什麽(me)變化，這證明其抗(kang)⁉️振動幹擾性能良(liáng)好。
3.5間隙性用汽
　　本(ben)田汽車公司安裝(zhuang)了DN80電容式渦街流(liú)量計,其蒸汽流量(liàng)5t/h左♊右🌐。由于是間隙(xi)性使用，一天之内(nèi)需要頻繁多次停(ting)汽、用汽🐪，這顯然會(hui)⭐對渦街形成頻繁(fan)沖擊，由🌐此所引起(qǐ)的幹🛀🏻擾也會增多(duo)，因此要求所用渦(wo)街具有較高的抗(kàng)流速沖擊、抗熱沖(chong)擊和抗振㊙️動幹擾(rao)的能力。從現場觀(guān)察和計量數據分(fèn)析看，該電容式渦(wo)街完全能适應這(zhe)一工況，儀表運行(háng)一直正常。
4注意事(shi)項
　　渦街應用效果(guǒ)是産品性能、選型(xíng)、安裝的綜合反映(ying)。現就📞應用中容易(yì)疏忽的幾個問題(ti)作一分析，以引🈲起(qǐ)注意和☔重視。
(1)在設(she)計選型階段，必須(xū)依據蒸汽的實際(jì)工藝參數選擇合(he)适的渦街口徑大(da)小，而管道尺寸僅(jin)作爲參考。經驗表(biao)🌈明，管路設計時往(wang)往留有很大的餘(yu)量,蒸汽管道尺寸(cun)普🐅遍偏大，如果按(an)原管道🌈選擇渦街(jie)口徑，經常會造成(chéng)精度下降(小流量(liang)丢失)甚至不能計(jì)量的後果;而♋根據(jù)參數選出的渦街(jie)口徑常常有小--檔(dàng)的情況，這🈲時安裝(zhuāng)渦街需要一段同(tong)心縮管。
(2)安裝時必(bì)須嚴格依據施工(gong)規範。例如，前後直(zhí)管段長度🍉必須🔞滿(man)足渦街流量計的(de)技術要求，渦街儀(yi)表🏃‍♀️體中心線與前(qian)後直管道中心線(xiàn)同軸，密封墊不能(neng)伸入管道中，這樣(yàng)可以防止因部分(fen)流通面積被蓋住(zhù)、流速分布發生畸(ji)變、流場受幹擾而(er)引起測量誤差;蒸(zheng)汽管道測量段保(bǎo)證沒有冷凝水;對(dui)于新裝工藝管道(dao)，在吹掃時必須先(xiān)把渦街拆下，吹掃(sǎo)幹淨後📱方可裝回(hui)。
(3)電氣接線必須規(gui)範,現場的防水、防(fáng)高溫措施必須到(dao)位。例如，儀表體處(chù)的保溫隔熱層的(de)高度不能高于表(biao)頭支架的一半，這(zhè)樣支架中有保溫(wen)部分(下半🌂部)可阻(zǔ)止熱幅射，無保溫(wen)部分(上半部)可防(fáng)止熱量傳遞到表(biao)頭;水平管🛀🏻道時，表(biǎo)頭應盡可能水平(ping)放置，以便盡量降(jiàng)低熱空氣對前置(zhi)放大器☀️電子元件(jian)的影響。
5結束語
　　本(ben)測量系統的核心(xin)是差動開關電容(róng)式渦街流量計💯，它(ta)💛對于測量是否成(chéng)功起到決定性作(zuo)用。幾年的應用💃實(shi)踐表明✍️，這種電容(rong)式渦街工作穩定(ding)可靠，抗振動幹擾(rǎo)強，不存在應力式(shì)渦街流量計那種(zhong)對振🌈動的敏感性(xìng)，其測量數據是可(ke)信的、是公♋正的，也(ye)沒有應力式.渦街(jiē)常因雷擊而損壞(huài)的這類問題;結構(gòu)🐅堅固,沒有可動☔部(bù)件，不存在磨損和(he)堵塞問題，無需📧維(wéi)護，使用成本低❗;靈(líng)敏度高，量程比😍寬(kuān)，減少了小流量✍️丢(diū)失;儀表精度高🔞可(kě)達0.5%),且長期運行幾(jǐ)乎不會改變,而精(jing)度的提高對于蒸(zheng)汽計📧量有着明顯(xiǎn)的經濟🚩價值。它的(de)成功應用，爲解決(jue)熱力公司高溫蒸(zheng)汽正确計量這個(gè)難;題提供一個非(fei)常有效的途徑。

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