渦街流量計旋渦發(fā)生體的設計、性能及在干標定中的應用

上海自動化儀表有限公司通過介紹渦街流量計旋渦發(fā)生體的設計、性能及在干標定中的應用，使大家更加了解旋渦發(fā)聲體，有利于提高渦街流量計更好的應用。

        渦街流量計是20世紀70年代發(fā)展起來的一種新型的流量儀表。因為許多優(yōu)點，受到用戶的歡迎，發(fā)展較快，應用不斷擴大。一臺完整的渦街流量計應由表體、發(fā)聲體、檢測元件和信號轉(zhuǎn)換等組成。首先我們了解一下渦街流量計的工作原理，根據(jù)卡門渦街原理，旋渦頻率f與管內(nèi)平均流速有如下關系：

f=St u/md

式中：

f：旋渦頻率 （Hz）；

St：斯特勞哈爾數(shù)；

u：平均流速 （m/s）；

d：發(fā)生體迎流向的寬度 （m）；

D：測量管內(nèi)徑 （m）；

渦街流量計儀表系數(shù)：k=f/qv

k：儀表系數(shù) （p/l）；

Qv：體積流量 （m/s）。

        通過以上兩個公式可以看出儀表系數(shù)k與以下因素有關：

（1） St數(shù)只與發(fā)生體形狀和雷諾數(shù)有關。流體雷諾數(shù)在2×104——7×106 范圍內(nèi)，St可視為常數(shù)。

（2）發(fā)生體和測量管的幾何尺寸有關。

        可以看出，渦街流量計測量準確的前提是必須保證旋渦發(fā)生體的特征寬度（迎流寬度）d不變，下面我們的重點討論一下發(fā)生體的性能、作用及應用等。

一、旋渦發(fā)生體的性能

        用于產(chǎn)生渦街流動的非流線型柱體稱為旋渦發(fā)生體，它是產(chǎn)生渦街的核心部件。它的主要功能就是在三維的管流場中，迫使旋渦在其軸間產(chǎn)生同步分離，把三維的管流變成二維的旋渦流。渦街流量計的流量特性（儀表系數(shù)、線性度、范圍度）和阻力特性都與發(fā)生體的形狀與幾何參數(shù)密切相關。大量實踐證明，一種性能優(yōu)良的發(fā)生體應滿足以下幾方面要求：

1 應有較陡斷（鈍）的截面形狀，具有這種形狀的非流線型柱體，是產(chǎn)生旋渦分離的條件。

2 柱體的兩側(cè)具有明顯的棱邊，能控制旋渦在發(fā)生體的軸線方向上同步分離，并在較寬的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，保持旋渦分離點穩(wěn)定，這是保持斯特勞哈爾數(shù)St恒定的必要條件。

3 它是一根均勻的柱狀體，在柱體的軸線方向上所有的橫截面形狀是相同的，均勻的，對稱的，這是把三維管流轉(zhuǎn)變成二維的旋渦流的條件。

二、旋渦發(fā)生體狀況發(fā)生變化而引入的測量誤差

1 發(fā)生體銳緣磨損產(chǎn)生的影響

        渦街流量計旋渦發(fā)生體的迎流向的兩條棱邊正常情況下是銳利的，但若被測流體中含有固形物，則銳緣很容易被磨損而變成圓弧，雖然流量系數(shù)K對邊緣的銳利度變化不像孔板流量計那樣敏感，但由于幾何形狀和尺寸發(fā)生了變化，也會引起流量系數(shù)的變化，橫河公司對旋渦發(fā)生體銳緣變鈍對流量系數(shù)的影響做過測試，隨著銳緣半徑的增大，K系數(shù)不斷增大，流量示值成正比增加。所以選擇耐磨性優(yōu)良的材質(zhì)制造發(fā)生體，是改善磨損的積極方法。

2 流體溫度變化對發(fā)生體的影響

        當溫度變化時，溫度引起金屬材料幾何尺寸發(fā)生變化，包括表體、發(fā)生體等（特別是測量蒸汽流量時）。由于可能的溫度變化大，所引起的影響是很可觀的，一般需要修正。

3 發(fā)生體迎流向堆積產(chǎn)生的影響

        當被測流體中存在黏性顆?；驃A雜較多纖維狀物質(zhì)，則可能會逐漸堆積在旋渦發(fā)生體迎流面上，使其幾何形狀和尺寸發(fā)生變化，因而流量系數(shù)也相應變化，據(jù)日本OVal公司工作人員著文透露模擬試驗結(jié)果。在該公司三角柱發(fā)生體端的堆積物厚度為0.01D時，附加誤差為 -2%，為0.02D時，附加誤差為-3.4%。

三、旋渦發(fā)生體是干標定的核心部件

        流量計實流標定會給儀表的生產(chǎn)企業(yè)和用戶帶來巨大的工作量和經(jīng)濟上、能源上的耗費。長期以來，人們期望用一種“干標定”方法來替代繁瑣的實流標定，根據(jù)渦街流量計的特點，實現(xiàn)干標定是非常可能的必然的，因為渦街具有以下三個關鍵原因：

（1）渦街流量計無可動的部件，穩(wěn)定性和可靠性較高，是干標定儀表的必備條件。

（2）干標定的核心部件——發(fā)生體的幾何形狀簡單，經(jīng)多年的應用，逐步趨向性能優(yōu)良的少數(shù)幾何發(fā)生體。

（3）對渦街流量的儀表系數(shù)K的影響量主要是發(fā)生體的幾何參數(shù)與被測介質(zhì)物理性質(zhì)無關。

所以， 很多國家都在研究渦街流量計的干標定，其中日本取得了一些進展，在日本工業(yè)標準（JISI8766：2002）中寫了有關渦街流量計干標定內(nèi)容，確定的標準發(fā)生體是公認性能較好的三角柱形發(fā)生體，制定了標準發(fā)生體具體尺寸參數(shù)（略），下面我們對發(fā)生體加工、裝配中產(chǎn)生誤差進行探討，誤差來源主要來源為偏角，對稱度、底部縫隙影響三個方面，通過試驗對他們提出限定范圍，以適應于標定的要求。

（1）偏角是發(fā)生體流動方向的軸線與測量管軸線間的夾角，通過在水流試驗中得出數(shù)據(jù)是偏角達到8時，K系數(shù)變化達到6.6%-8.24%。在空氣和水中試驗結(jié)果大體相同，即偏角必須控制在2以內(nèi)。

（2）發(fā)生體底部縫隙是指旋渦發(fā)生體底部圓弧與表體測量管內(nèi)壁之間的距離，理想的縫隙為無窮小，但不為零，實際上是做不到的。試驗中發(fā)現(xiàn)縫隙的大小不僅影響儀表系數(shù)和線性度，當縫隙較大時，甚至使旋渦不能穩(wěn)定分離，渦街信號不穩(wěn)定，噪聲很大，經(jīng)過試驗確定縫隙大小應控制在（0.02+0.01）mm范圍內(nèi)。

（3）對稱度即發(fā)生體的中心軸線偏離測量管中心線的距離。造成發(fā)生體不對稱的原因是發(fā)生體加工不對稱和表體加工的不對稱，不對稱度對儀表性能的影響主要表現(xiàn)在高流速區(qū)域。通過試驗確定發(fā)生體的不對稱度應控制在 0.15mm之內(nèi)。

上海自動化儀表有限公司通過以上對發(fā)生體的簡單論述，我們了解到渦街流量計準確度的保證，發(fā)生體是個關鍵原因，只有加工精密，應用合理才能保證渦街流量計的準確可靠，為我們提供準確的計量數(shù)據(jù)。