渦街流量計的溫度、壓力補償問題探討

　　渦街流量計與流體密度無關(guān),在測流量時,考慮氣體或蒸汽溫度、壓力變化對密度的影響,需不需要進行密度、溫度壓力補償,從以下幾個方面進行探討。

　　(1)測量介質(zhì)為液體,且流量以質(zhì)量流量表示。

　　由于測液體流量時,流量指示一般為質(zhì)量或重量流量,漩渦流量計由漩渦頻率→流速→體流量×密度 質(zhì)量流量,當指示值以質(zhì)量流量表示時,刻度系數(shù)中包含密度的因素,所以密度變化對指示值有影響,必須進行密度修正。

　　(2)測量介質(zhì)為氣體,且以標準狀態(tài)下的體積表示。

　　氣體流量一般習慣均以標準狀態(tài)下的體積表示,刻度為Nm3/h,但工作時由漩渦頻率→流速→工作狀態(tài)體積再折算成標準狀態(tài)下的體積。作為一臺漩渦流量計,一旦折算系數(shù)確定了,那么流體只有處在一個工作壓力、溫度下流量指示值才準確,這個溫度就是設(shè)計溫度,這個壓力就是設(shè)計壓力。電氣安裝應注意傳感器與轉(zhuǎn)換器之間采用屏蔽電纜或低噪聲電纜連接，其距離不應超過使用說明書的規(guī)定。

　　一旦工作條件偏離了設(shè)計值也會帶來誤差,所以必須考慮溫度、壓力補償,但不考慮密度補償。

　　(3)測量介質(zhì)為氣體,且以質(zhì)量流量表示。

　　對漩渦流量計,由漩渦頻率→流速→工作狀態(tài)體積流量→設(shè)計狀態(tài)體積流量→標準狀態(tài)體積流量,再乘以標準狀態(tài)下氣體的密度而得到質(zhì)量流量。

　　顯然,以質(zhì)量流量表示的漩渦流量計,必須進行時氣體組成變化帶來的密度變化的修正,同時工況變化,又增加一個由工作狀態(tài)折算到設(shè)計狀態(tài)的折算系數(shù)。這個折算系數(shù)是動態(tài)的,也就是溫度、壓力補償問題。

渦街流量計首要用于工業(yè)管道介質(zhì)流體的流量測量,如氣體、液體、蒸氣等多種介質(zhì)。其特點是壓力丟失小,量程規(guī)模大,精度高,在丈量工況體積流量時簡直不受流體密度、壓力、溫度、粘度等參數(shù)的影響。無可動機械零件，因此可靠性高,保護量小。外表參數(shù)能長時間安穩(wěn)。本外表選用壓電應力式傳感器,可靠性高,可在-20℃～ 250℃的工作溫度規(guī)模內(nèi)工作。由上式可見，VSF輸出的脈沖頻率信號不受流體物性和組分改變的影響，即外表系數(shù)在必定雷諾數(shù)規(guī)模內(nèi)僅與旋渦發(fā)作體及管道的形狀尺度等有關(guān)。但是作為流量計在物料平衡及動力計量中需檢查質(zhì)量流量，這時流量計的輸出信號應一起監(jiān)測體積流量和流體密度，流體物性和組分對流量計量仍是有直接影響的。  渦街流量計就是根據(jù)卡門旋渦原理進行關(guān)閉管道流體流量丈量的新式流量計。因其具有良好的介質(zhì)適應能力，無需溫度壓力抵償即可直接丈量蒸汽、空氣、氣體、水、液體的工況體積流量，裝備溫度、壓力傳感器可丈量標況體積流量和質(zhì)量流量，是節(jié)流式流量計的抱負代替商品。雷擊在傳輸線路中會感應產(chǎn)生瞬時高壓尖脈沖和強大的浪涌電流擊穿或燒毀轉(zhuǎn)換器內(nèi)的電子元器件，這種雷擊主要是通過電源線和信號線引人。

渦街流量計的技術(shù)分析

   渦街流量計常用于蒸汽的測量,蒸汽作為重要的二次能源用途非常廣泛,蒸氣流量的準確計量和蒸汽流量計的選型、安裝有著非常密切的聯(lián)系.我們選取目前市場上應用非常廣泛的渦街流量計作為分析對象.

渦街流量計主要由以下四個部分組成:(1)渦街流量傳感器.(2)壓力變送器.(3)溫度鉑熱電阻.(4)流量積算儀.作為貿(mào)易結(jié)算的計量器具,以上四件計量器具都需要選型合適、強制檢定合格、安裝正確方可進行貿(mào)易結(jié)算使用.渦街流量傳感器的工作原理是卡曼渦街原理.在流體中設(shè)置旋渦發(fā)生體(阻流件),當有氣流通過時,從旋渦發(fā)生體下游兩側(cè)產(chǎn)生有規(guī)律的交替排列的旋渦,在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)(2×104~7×106),該旋渦的頻率與旋渦發(fā)生體的幾何尺寸、管道的幾何尺寸有關(guān),旋渦的頻率正比于流量.此頻率可由探頭檢出.

式中:b—阻流件的寬度,m;

u—流經(jīng)流量計的平均流速,m/s;

f—旋渦的頻率,Hz;

r—斯特羅哈爾常數(shù).

一般用戶選擇在市場上購買渦街流量傳感器時,要購買有○MA標志的渦街流量傳感器.即取得中華人民共和國計量器具制造許可證的企業(yè)生產(chǎn)的渦街流量傳感器.如果流量計是用于貿(mào)易結(jié)算,屬于強制檢定.使用前應送至當?shù)赜嬃坎块T檢定,檢定合格方可安裝使用.檢定參照JJG1029-2007《渦街流量計檢定規(guī)程》.

用戶在購買渦街流量計前,首先要做的是選型.選擇一款適合的渦街流量計非常重要.渦街流量傳感器口徑從DN15至DN300,由于渦街流量傳感器口徑越大儀表系數(shù)越小,頻率分辨率越低,準確度也越差,因此選型口徑一般不宜大于DN300.不同口徑流量計量程大小不一.應根據(jù)自己的實際使用情況合理配置渦街流量計.首先要確定蒸汽大概的用量.其次要確定管道內(nèi)蒸汽是過熱蒸汽還是飽和蒸汽.后要知道管道內(nèi)蒸汽的狀態(tài),比如壓力和溫度,合理配置壓力變送器和溫度鉑熱電阻.通過儀表說明書可以查詢到不同口徑儀表的流量測量范圍.

渦街流量計表1.

在實際使用的過程中,所謂儀表超量程工作,實際上是儀表超流速運行.即氣體通過渦街流量傳感器的流速過快,而導致計量不準確.下面以一只為DN200的渦街流量傳感器為例:

流量計測量范圍

管道截面積:S1=πR2=3.14×0.12=0.0314m2

阻流體截面積:S2≈2R×b=0.2×0.056=0.0112m2

渦街流量傳感器的截面積:S=S1-S2=0.0202m2當流量為4000m3/h時,此時通過氣體渦街流量傳感器的流速υ:

公式1

當流量為400m3/h時,此時氣體通過渦街流量傳感器的流速υ:

公式2

渦街流量計在測量蒸汽時,不要超出儀表的上限流速.上限流速受介質(zhì)可壓縮性質(zhì)的限制,下限流速受雷諾數(shù)和傳感器靈敏度的限制,建議擇渦街流量計正常流量在正常流量范圍的1/2~2/3之間.

渦街流量計安裝正確與否直接影響其準確計量.安裝儀表時應注意以下幾點:一、安裝應符合儀表使用說明書的要求,保證渦街流量傳感器上、下游直管段的長度.二、上、下游配管內(nèi)徑應與傳感器內(nèi)徑相同.三、配管應與傳感器同心.四、密封墊不能凸入管道內(nèi),其內(nèi)徑可比傳感器內(nèi)徑大1mm~2mm.五、傳感器安裝場所應盡量避開振動源,加裝管道支撐物是有效的減震方法.六、電氣安裝應注意傳感器與轉(zhuǎn)換器之間采用屏蔽電纜或低噪聲電纜連接,其距離不應超過使用說明書的規(guī)定,布線時應遠離強功率電源線,應盡量用單獨金屬套管保護.應遵循"一點接地"原則.整體型和分離型都應在傳感器側(cè)接地,轉(zhuǎn)換器外殼接地點應與傳感器"同地".這樣可以有效地避免雷擊對儀表造成傷害.

溫度鉑熱電阻和壓力變送器的安裝位置應遵循JJG1029-2007《渦街流量計檢定規(guī)程》7.1.1.4和7.1.15要求,溫度測量位置設(shè)在流量計下游(2~5)D處(D為管道直徑),壓力測量位置應在流量計下游側(cè)(2~7)D處.取壓孔軸線應垂直于測量管軸線直徑為(4~12)mm.溫度鉑熱電阻和壓力變送器的安裝方式應遵循G093-2002《自動化儀表工程施工及驗收規(guī)范》4.2、4.3及5.4的要求.壓力取源部件與溫度取源部件在同一管段上時,壓力應安裝在溫度取源部件的上游側(cè).

當測量蒸汽時壓力取源部件應帶有環(huán)型或U型冷凝管.測量低壓的壓力變送器的安裝高度,宜與取壓點的高度一致.下圖為壓力變送器四種安裝方式:

安裝方式一定要對壓力進行補償.不建議的方式安裝,因為無法確定P'與P的關(guān)系.而一般在儀表的說明書中大都方式來安裝

渦街流量計儀表常數(shù)與流體流速的關(guān)系及分段補

  渦街流量計儀表常數(shù)與流體流速的關(guān)系及分段補償，通過對渦街流量計的儀表常數(shù)隨著流速的變化而略有起伏這個規(guī)律的觀察與總結(jié),建立數(shù)學模型,并根據(jù)這個數(shù)學模型,可以在不同的流速段對儀表常數(shù)做適當?shù)难a償,可以提高渦街流量計的計算精度，該方案通過單片機809C51實現(xiàn)。有條件時由專人每日對保溫材料的是否破損、蒸汽管路的是否堵塞進行技術(shù)確認與技術(shù)處置3、報警措施。    

　　根據(jù)多年的應用經(jīng)驗以及大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù),我們發(fā)現(xiàn)渦街流量計的儀表常數(shù)與流體的流速存在一定的關(guān)系,本文通過尋找渦街流量計儀表常數(shù)與流體流速的關(guān)系,建立了兩者的數(shù)學模型,在流量計算時對它進行補償,提高了計算精度。

　　1.1　渦街流量計的工作原理

　　渦街流量計是基于卡門渦街原理制成的一種流體振蕩性流量計,即在流動的流體中放置一個非流線型的對稱形狀的物體(渦街流量傳感器中稱之為漩渦發(fā)生體),就會在其下流兩側(cè)產(chǎn)生兩列有規(guī)律的漩渦,即卡門渦街其漩渦頻率正比于流體速度:

　　1.2　渦街流量計的特點

　　(1)輸出的信號是與流速成正比的脈沖信號,便于數(shù)據(jù)處理和計算機聯(lián)網(wǎng)。

　　(2)量程范圍寬,精度高。

　　(3)無可動部件,可靠性較高,結(jié)構(gòu)簡單,便于安裝維修。

　　(4)檢測元件與被測介質(zhì)不直接接觸,不受流體的化學性質(zhì)影響,應用范圍寬,壽命長。

　　(5)抗干擾能力強,容易進行流量計算,不受流體物理性質(zhì)的影響,給儀表的標定和使用帶來了方便。

　　2　誤差的產(chǎn)生及補償

　　2.1　非線性誤差的產(chǎn)生

　　由于渦街傳感器所測的并不是平均流速,而是漩渦發(fā)生體兩側(cè)的流速。對于湍流狀態(tài),不同的雷諾數(shù)下,流速分布規(guī)律是不同的,即不同的流速下具有不同的流速分布,進而說明了渦街流量傳感器檢測到的主要反映漩渦發(fā)生體兩側(cè)的流速,與管道平均流速的關(guān)系不是確定的。這說明渦街流量傳感器的非線性誤差是其檢測機理所決定的。在實際使用時,先繪出傳感器的儀表常數(shù)與流體流速的試驗曲線,據(jù)此得到不同流速段的實際儀表常數(shù)。本文應用MCS251單片機系列的89C51將試驗曲線事先固化于流量計的EPROM中,用戶結(jié)合現(xiàn)場具體工作情況通過鍵盤輸入平均儀表常數(shù)KP的值(KP= (Kmax Kmin) /2),實現(xiàn)了渦街傳感器的非線性修正。2、將配套的一端，就是帶有法蘭的短管放在孔的上面，要保持短管與管道的垂直，必須焊接牢固。

　　2.2　儀表常數(shù)與流體流速的關(guān)系及分段補償

　　我們知道渦街流量計頻率與流量成正比,理論上講,渦街流量計輸出頻率與流速成正比,也就是說儀表常數(shù)恒定。實際上,由于流量計本身的因素導致兩者之間存在一定程度的非線性誤差。鑒此,我們做出了一條儀表常數(shù)與流速的實驗關(guān)系曲線,如圖1所示。圖中各點坐標分別為A(Vmin,1.004 9KP),B(15%Vmax,0.997KP),C(30%Vmax,0.992853KP),D(50%Vmax,0.994883KP),E(75%Vmax,KP),F(Vmax,KP)。65Mpa調(diào)整螺釘過松、閥門鼓膜放氣壓力低，放氣閥門老化而漏氣。

　　針對這種誤差規(guī)律,我們采取分段補償?shù)姆绞竭M行誤差修正。由圖1可以看出,隨著流速的降低,曲線偏離平均值越大,對此我們采用的方法可以達到兩個目的:

　　(1)無論偏差值多大,只要它有規(guī)律可循,就可補償修正,還可以把流量的下限即Vmin在坐標上向左移動,即擴大傳感器的量程。

　　(2)根據(jù)精度要求合理劃分區(qū)間,在誤差大的低流速區(qū)間線段取密一些,在誤差小的高流速區(qū)間可適當將區(qū)間放寬。

　　為了滿足修正后非線性誤差在0. 3%以下的要求,我們根據(jù)理論分析和曲線規(guī)律,分別在12%Vmax、60%Vmax處增加兩點(見圖2),坐標分別為G(12%Vmax,KP),H(60%Vmax,0.998KP)。理由:

　?、賄min/Vmax=8% ~9%;②DE曲線間無拐點且下凹;③AB曲線間無拐點且下凹。這樣,把整個流速范圍分成了六段,如表1。這樣處理后,可修正非線性誤差在0.3%以下。

　　2.3　補償后非線性誤差計算及驗證

　　表2為補償后各段儀表常數(shù)的非線性誤差計算值。

　　下面用某廠生產(chǎn)口徑為Dg80的渦街流量計為例驗證補償效果(產(chǎn)品編號:04150)。表3為原始檢測數(shù)據(jù).

　　2.4　計算流量

　　瞬時流量計算公式:

　　3　系統(tǒng)的實現(xiàn)

　　3.1　系統(tǒng)可以實現(xiàn)的功能

　　(1)以89C51為核心元件,X25045存儲數(shù)據(jù)。

　　(2)采用82C79單片機,可以同時顯示瞬時流量(4位)以及累積流量(6位 2位冪數(shù)),其顯示單位為體積流量。

　　(3)具有掉電檢測、保護功能(HT7044監(jiān)測電壓),掉電后數(shù)據(jù)存入X25045中。

　　(4)具有看門狗功能。

　　(5)采用鍵盤輸入,輸入內(nèi)容包括:儀表常數(shù)、瞬時流量上限、瞬時流量下限等。

　　3.2　主要程序模塊

　　(1)主程序。

　　(2)定時器中斷服務(wù)程序。

　　(3)鍵盤中斷處理子程序。

　　(4)掉電處理子程序。

　　(5)25045讀/寫狀態(tài)寄存器子程序。

　　(6)瞬時流量計算程序SSJS。

　　(7)累積流量計算程序LJJS。

　　(8)量程判別子程序CSDS。

　　用單片機89C51驗證了誤差補償?shù)臄?shù)學模型,并實現(xiàn)了智能渦街流量積算儀的設(shè)計,通過對儀表常數(shù)的修正使系統(tǒng)的精度有很大的提高,可以使渦街流量積算儀達到0. 5級標準，采用89C51單片機使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性都得到了提高,82C79的鍵盤顯示接口芯片,代替單片機完成鍵盤和顯示器的許多接口操作,X25045可以將數(shù)據(jù)實時存儲起來，系統(tǒng)軟硬件設(shè)計合理、可行,具有工程實用價值。但是作為流量計在物料平衡及動力計量中需檢查質(zhì)量流量，這時流量計的輸出信號應一起監(jiān)測體積流量和流體密度，流體物性和組分對流量計量仍是有直接影響的。