旋进旋涡流量计

  旋涡进动流量计(简称 VPF )又称旋进旋涡流量计,是另一种形式的流体振动式流量计。它利用旋涡进动现象—旋涡进动运动的频率与流速成正比的原理测量流量。

旋进旋涡流量计

  旋进旋涡流量计早是美国标准公司研制的,后来由 Fische : & Porter 公司生产。前苏联在这方面的研究工作也取得不少成果。我国在 20 世纪 70 年代初投人研究开发, 70 年代后期旅产品。由于一些原因.其推广应用范围不够广,与 VSF 相比,我国颁布了计量检定规程,至今尚未制定产品的行业标准。发展速度相对缓慢。 20 世纪 90 年代中期,有些企业重新开发 VPF ,并重点在检测元件和信号处理方面取得技术突破。在天然气流量测量方面,发挥该仪表低流速特性好的优势,得到用户的认可。近年来推出的双探头智能型 VPF ,有效地抑制了压力波动和管道振动对测量的影响,使产品水平上了一个新台阶。

•  工作原理

根据旋涡进动现象的物理模型,可说明仪表的工作原理。

( 1 )旋涡形成 流体通过由多片螺旋形导流叶片组成的起旋器( Swlrler )后,流体被强迫绕测量管轴线激烈旋转流动。形象地说,从螺形叶片流出的各股流体象若干股绳子拧在一起形成旋涡称为涡势,其中心处为涡核。

( 2 )旋涡发展 旋涡流由起旋器形成后,经过一段形似文丘里管的收缩段和喉部得到加速。沿流动方向涡核直径逐步缩小,而旋涡强度逐步加强。此时涡核与流管的中心线相一致。

( 3 )涡核的进动 旋涡流经过喉部获得一段短暂稳定,然后进人扩张段。由于测量管出现扩张,管内流动出现了减速增压现象,此时旋涡中心区的压力比周围的压力低,于是产生局部回流,涡核被迫偏离中心轴,就像刚体一样旋转的涡核,在扩张段内产生一种类似陀螺的进动。涡核的进动围绕着中心轴进行,如图 3 . 35 所示。

旋涡进动流量计

( 4 )旋涡消失 在扩张段之后的出口段内安装了消旋器,如图 3 . 36 所示,使涡核的进动逐步消失。

旋涡进动流量计

    旋涡进动贴近扩张段的壁面,在测量管横截面的切向速度分量,可应用不同检测元件检测出旋涡进动频率。该频率与流量成正比。 , q v =Kf 式中 q v ― 工作状态体积流量; K ― 仪表系数; f 一旋涡进动频率。与 VSF 一样,仪表系数 K 与仪表结构参数(例如起旋器的几何参数,测量管的尺寸参数等)有关,而与流体的物理性质和组分无关。

•  优点与局限性

1 .优点 VPF 具有流体振动流量计的共同优点外,其本身还有以下优点。 ① 旋涡信号强烈,下限雷诺数比 VSF 更低。测量气体流量时,下限流速可以低至 1. 5 ~ 2 m / s 。 ② 受上游阻流件或流速分布畸变影响比 VSF 小,所以它对上游直管段长度的要求比 VSF 短得多。一般清况,上游直管段长度为 5D ,下游为 1D 。 ③ 仪表系数 K 比 VSF 大 l ~ 2 倍。

2 .局限性 ( l )压力损失大 仪表工作时,通过测量管的流体都被强迫旋转,流体振动能量与流体的总动能之比要比 VSF 大得多,因此能量损失也就大得多。通过试验可知,大多数 VPF 的阻力系数比 VSF 大 5 ~ 10 倍,有的甚至更大。 ( 2 )结构较复杂 起旋器、测量管结构比 VSF 的旋涡发生体与测量管复杂,加工难度也大得多。 VPF 不宜制成法兰卡装型结构,更无法做成插人式流量计。

•  选用注意事项

    目前VPF已商业化的产品有气体、液体、蒸气系列。这三类产品中以气体系列的产量大。产品中又包括普通型、防爆型、智能型。智能型产品中又有单探头和双探头之分。 VPF 的供电方式有两种:一种是外电源+24V DC 供电;另一种是内电源 3V锂电池供电。产品的主要技术参数见表 3.26 。由于 VPF 的压力损失较大,用于液体流量时,应特别注意避免气穴现象发生。 VPF 有较好的低流速特性,在测量天然气和各种有压气体时,效果比 VSF 好,这是值得重点推广的领域。

旋涡进动流量计

旋涡进动流量计

涡街流量计结构

    涡街流量计由传感器和转换器两部分组成,如图 9 . 3 所示。传感器包括旋涡发生体(阻流体)、检测元件、仪表表体等;转换器包括前置放大器、滤波整形电路、 D / A 转换电路、输出接口电路、端子、支架和防护罩等。近年来智能式流量计还把微处理器、显示通讯及其他功能模块亦装在转换器内。

涡街流量计

( 1 )旋涡发生体

    旋涡发生体是检测器的主要部件,它与仪表的流量特性(仪表系数、线性度、范围度等)和阻力特性(压力损失)密切相关,对它的要求如下。

l )能控制旋涡在旋涡发生体轴线方向上同步分离;

2 )在较宽的雷诺数范围内,有稳定的旋涡分离点,保持恒定的斯特劳哈尔数;

3 )能产生强烈的涡街,信号的信噪比高;

4 )形状和结构简单,便于加工和几何参数标准化,以及各种检测元件的安装和组合;

5 )材质应满足流体性质的要求,耐腐蚀,耐磨蚀,耐温度变化;

6 )固有频率在涡街信号的频带外。

    已经开发出形状繁多的旋涡发生体,它可分为单旋涡发生体和多旋涡发生体两类,如图 9 . 4 所示。单旋涡发生体的基本形有圆柱、矩形柱和三角柱,其他形状皆为这些基本形的变形。三角柱形旋涡发生体是应用广泛的一种,如图 9 . 5 所示。图中 D 为仪表口径。为提高涡街强度和稳定性,可采用多旋涡发生体,不过它的应用并不普遍。

涡街流量计

涡街流量计

( 2 )检测元件

涡街流量计检测旋涡信号有 5 种方式。

l )用设置在旋涡发生体内的检测元件直接检测发生体两侧差压;

2 )旋涡发生体上开设导压孔,在导压孔中安装检测元件检测发生体两侧差压;

3 )检测旋涡发生体周围交变环流;

4 )检测旋涡发生体背面交变差压;

5 )检测尾流中旋涡列。

涡街流量计

    根据这 5 种检测方式,采用不同的检测技术(热敏、超声、应力、应变、电容、电磁、光电、光纤等)可以构成不同类型的 VSF ,如表 9 . 1 所示。

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( 3 )转换器

    检测元件把涡街信号转换成电信号,该信号既微弱又含有不同成分的噪声,必须进行放大、滤波、整形等处理才能得出与流量成比例的脉冲信号 . 不同检测方式应配备不同特性的前置放大器,如表 9 . 2 所列。

转换器原理框图如图 9 . 6 所示。

( 4 )仪表表体

仪表表体可分为夹持型和法兰型,如图 9 . 7 所示。

涡街流量计

 

 

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