渦街流量計(ji)性能與安裝方(fāng)式的關系
1.引言(yán) 渦街流量計 (或(huo)稱 旋渦流量計(ji) )是一種基于流(liu)體振蕩原理的(de)新型速度式流(liú)量儀表。它的輸(shū)出信号是與流(liu)量成正比的脈(mò)沖頻率信号或(huò)标準電流信号(hào),可遠距離傳輸(shū),并且輸出信号(hao)僅與流🔞量有關(guan),不受流體的溫(wēn)🏃🏻度、壓力、成分、粘(zhan)度和密度的影(yǐng)👣響。它具有量程(cheng)比寬,結構簡單(dan),無運動件,檢測(ce)元件不⚽接觸被(bèi)測流體,具有測(ce)量精度好、應用(yòng)✊範圍廣、使用壽(shòu)命長等特點。因(yin)📞此,渦街流量計(jì)自20世紀60年代末(mò)誕生以來,發展(zhan)異常迅速,許多(duō)研究者進行✉️了(le)大量的工作,開(kāi)發出了衆多類(lei)型🚶的渦街流量(liang)計,并大量生産(chǎn)投放市場,像這(zhe)💋樣在短短幾年(nián)時間内就達到(dào)從實驗室樣機(jī)到批量生産過(guò)程的流量❄️計還(hái)是僅有的。 然而(ér),在經曆了20世紀(jì)80~90年代的“渦街熱(rè)”以後,渦街流量(liàng)計的發⛷️展放慢(màn)了步伐。由于對(dui)這種新型儀表(biao)的生🎯産、設計、選(xuan)✊型和應用方面(mian)的經驗不足,面(miàn)對各行各業千(qiān)差萬别的現場(chǎng)和測量對象,有(you)些問題逐步暴(bào)露出來,如安裝(zhuāng)條件和方式對(duì)測量的影響等(děng)。對于安裝條件(jiàn)(即各種使用條(tiao)件下所必須的(de)直管段長🏃🏻♂️度)的(de)要求,不同儀表(biao)廠家都會🐇給出(chu)一個比較合理(lǐ)的建議值❗。但是(shi),對于安裝方式(shì)(即 流量計 水平(píng)安裝或垂直安(an)裝)給渦街流量(liang)計造成的影響(xiǎng),一般🔞都沒🙇♀️有涉(shè)及。本文通過相(xiang)同條件下的實(shi)驗研🏃♀️究,定量地(dì)🐇讨論和比♉較了(le)水平、垂直兩種(zhǒng)安裝方式對渦(wō)街流量計測量(liang)的影響。 2.渦街流(liu)量計測量原理(li) 在流體中垂直(zhi)于流向插入一(yī)根非流線型柱(zhù)狀物體(即旋渦(wo)發生體),當流速(sù)大于一定值時(shi),在柱狀物兩側(cè)将産生兩排旋(xuan)轉方向相反、交(jiao)替出現的非對(duì)🌈稱的旋渦列(即(jí)卡門渦街),如圖(tu)1所示,通🍉過檢測(cè)渦街産生的頻(pín)⛱️率,根據有關的(de)關系式得到流(liu)體的流量。 設旋(xuan)渦的發生頻率(lü)爲f,被測介質來(lai)流的平均速度(dù)爲u,旋渦發生體(tǐ)迎面寬度爲d,管(guan)道内徑爲D,根據(ju)卡門渦街原理(li),有如下關系式(shi): 式中u1爲旋渦發(fa)生體兩側的平(píng)均流速,m/s;St爲斯特(te)勞哈爾數🛀🏻,量👣綱(gang)爲1;m爲旋渦發生(shēng)體兩側弓形面(miàn)積與管道♊橫截(jie)面面積之比,量(liang)綱爲1。 管道内流(liú)體的體積流量(liang)qv爲: 式中K爲渦街(jiē)流量計的儀表(biǎo)系數,Hz/(m3/h)。 式(3)就是渦(wo)街流量計測量(liang)的基本關系式(shi),其中K除與旋渦(wo)💰發生💜體☔、管道的(de)幾何尺寸有關(guān)外,還與斯特勞(láo)哈爾數有🤞關。斯(si)特勞哈爾數爲(wèi)無量綱參數,它(tā)與旋渦發生體(ti)形狀及雷諾數(shu)有關,在ReD = 2×104 ~ 7×106範圍内(nei),St可視爲常數,這(zhe)是儀💁表正常工(gōng)作範圍。同時可(ke)以看到,渦街流(liú)量計輸出的脈(mò)沖頻率信号不(bú)受流體物性和(hé)組分✨變化的影(yǐng)響,即♊儀表系數(shù)在一定雷諾數(shu)範圍内僅📱與旋(xuán)渦發生體及管(guan)道的形狀尺寸(cùn)等有關。 3. 渦街流(liu)量計的安裝方(fang)式 在工程實際(jì)應用中,渦街流(liu)量計通常有如(rú)圖2所示的幾種(zhǒng)🏃♂️安裝方式[10],其中(zhong)(a)、(b)、(c)三種方式都屬(shu)于水平安裝;(d)則(zé)爲渦街流量計(ji)的垂直安裝。對(duì)不同的流體應(ying)采用不同的安(ān)裝方式。普通液(yè)體、氣體、含🐉水量(liàng)液體的氣體、低(dī)溫氣體和液體(tǐ)、含微量固體顆(kē)粒的液體和氣(qi)體等可采用(a)、(c)、(d)方(fāng)式安裝;高溫液(yè)體、高溫氣體、蒸(zhēng)汽♻️可采用(b)、(c)、(d)方式(shi)♍安裝;濕飽和蒸(zheng)汽可采用(a)、(c)、(d)方式(shi)安裝;液-氣(含微(wēi)量氣體)、液-固(含(hán)微量固體)和液(ye)-液兩項流中,如(ru)果氣、固相不超(chāo)出可測量範圍(wei),建議首先采用(yòng)(d)方式安裝。 4. 實驗及結果讨(tao)論 4.1 實驗裝置與(yu)過程 實驗裝置(zhi)結構如圖3所示(shì),水穩壓罐爲管(guǎn)路提供恒定的(de)水壓♈,使實驗時(shi)流量穩定,水流(liú)量的大小由調(diao)節閥來調節,流(liú)量範圍爲2~20 m3/h。電磁(cí)流量計作爲标(biao)準流量表給出(chu)進入實驗段的(de)水的标準流量(liang)值,精度爲0.5%。渦街(jie)流量計分别按(àn)照水平和垂直(zhi)兩種方式安裝(zhuang)在實驗管路中(zhong),它們都具有足(zu)夠長的🛀前、後直(zhi)管段長度,并且(qie)其它安裝條件(jiàn)都嚴格按照規(guī)定的要求。渦街(jiē)流量計的信🙇🏻号(hào)通過示波器采(cai)集,采樣頻率選(xuǎn)⭐用1000 Hz,每組數據包(bao)含2500點㊙️。 4. 2 實驗結果(guǒ)與分析 分别對(duì)在水平和垂直(zhí)兩種安裝方式(shì)時測得的渦街(jie)信号✨進👄行快速(su)傅裏葉變換(FFT),可(kě)以得到渦街頻(pin)率值,圖4給出了(le)渦街頻率與流(liú)量之間的關系(xi)。從圖中可以看(kàn)出,兩者之間的(de)㊙️差别很小。再分(fèn)别對測得的渦(wō)街率與流量做(zuò)零🈚截距最小二(èr)乘拟合,得到水(shuǐ)平、垂直安裝的(de)渦街流量計儀(yí)表系數分别爲(wèi)2.5202 Hz/(m3/h)和2.5198 Hz/(m3/h),相對誤差小(xiao)于0.02%。可見⁉️,在安裝(zhuang)方式對渦街流(liu)量計的測量影(yǐng)響很小,可以忽(hū)🐆略。 爲(wèi)了進一步研究(jiū)渦街流量計安(an)裝方式的影響(xiang),本文還比較了(le)在水平和垂直(zhi)兩種方式下的(de)渦街信号的幅(fu)度。圖5給出了🍉渦(wo)街信号幅度與(yu)流量之間的關(guan)系,可以看出信(xìn)号幅度都與流(liu)量成😄近似二次(cì)方關系,在相同(tong)流量下,信号幅(fú)度基本上相等(deng),這說明渦街流(liú)量計安裝方式(shì)對其信号幅度(du)影響很小,也即(jí)旋渦的能量(正(zhèng)比于幅度的平(píng)方)幾乎不受🌈影(yǐng)響。但是,仔細比(bǐ)較可💃🏻以發現🔞,渦(wō)街流量⭐計水平(píng)安裝時的♉信号(hao)幅度略大于✌️垂(chuí)直安裝的情況(kuang),這裏可定性🤩地(di)理解爲,當渦街(jiē)流量計垂直安(ān)裝時部分旋渦(wo)能量因爲克服(fu)重力而耗散,使(shǐ)得渦街流量計(ji)傳感器‼️感測到(dao)的渦🌈街能量變(biàn)少,從而造成信(xìn)号幅度減小。
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