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5月5日,廣東虎門大橋異常振動,不禁讓人聯(lián)想起現(xiàn)代橋梁建筑歷史上最為標(biāo)志性的災(zāi)難——美國塔科馬海峽吊橋事件,一時間社會各界人士眾說紛紜。經(jīng)檢查是施工安放水馬破壞大橋的氣動結(jié)構(gòu),形成卡門渦街現(xiàn)象最終導(dǎo)致振動發(fā)生,該事件成功地將這一重要的流體力學(xué)現(xiàn)象帶入人們視線。不過,這也不一定都是壞事,渦街流量計就依據(jù)該現(xiàn)象設(shè)計而成,本文從原理、優(yōu)缺點(diǎn)和選型方法三個方面進(jìn)行介紹。
渦街流量計也稱為旋渦流量計,其具體工作原理如下:在流體流動管道中,垂直流動方向插入一個非流線型的柱狀物體,當(dāng)流體繞過柱狀體流動時,會發(fā)生附面層分離引起速度增加,同時局部壓力下降,進(jìn)而形成背壓流動現(xiàn)象,同時引發(fā)體兩側(cè)輪流發(fā)出兩列并排且旋轉(zhuǎn)方向相反的旋渦,如下圖所示。
旋渦產(chǎn)生時一側(cè)壓力下降,產(chǎn)生一個從另一側(cè)到本側(cè)方向的作用力,另一側(cè)產(chǎn)生旋渦時,就會產(chǎn)生一個方向相反的力,這樣發(fā)生體就會受到一個可以檢測渦街發(fā)生頻率的交變作用力(俗稱“升力”)。經(jīng)過推導(dǎo),管內(nèi)流速和體積流量分別滿足以下方程,在可測量范圍內(nèi)和工作狀態(tài)下,知道流量計的儀表常數(shù),就可以根據(jù)渦街發(fā)生頻率計算出工作狀態(tài)下流體的體積流率。
優(yōu)缺點(diǎn)
渦街流量計的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下方面:
(1)結(jié)構(gòu)簡單、牢固、安裝與維護(hù)方便,相比節(jié)流裝置減少泄露、堵塞和凍結(jié)等現(xiàn)象;
(2)精確度較高,相對偏差在正負(fù)1%~1.5%之間;
(3)測量范圍較寬,在合理口徑下,范圍度可以達(dá)到20:1;
(4)壓降低,約為節(jié)流式壓差流量計的25%~50%;
(5)在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi),輸出頻率不受流體物性(密度和粘度)和組成的影響,儀表系數(shù)僅與旋渦發(fā)生體及管道的形狀、尺寸有關(guān)。
但仍然有以下缺點(diǎn):
(1)對管道機(jī)械振動較為敏感,不適用強(qiáng)烈振動場合;
(2)口徑越大,分辨率越低,一般滿管式流量計用于DN400以下;
(3)流體溫度太高時,傳感器制作會有困難,一般物流溫度小于等于420℃;
(4)當(dāng)流體有壓力脈動或流量脈動時,示值大幅度偏高,影響較大,即不適用于脈動流。
選型方法
渦街流量計的選擇受到被測流體介質(zhì)的顯示精度、流量范圍、輸出電流等諸多因素影響,在挑選過程中可以按照以下五步進(jìn)行:
(1)精度選擇 精度級別越高,意味著價格增高,需要正確選擇才能做到經(jīng)濟(jì)合算:用于貿(mào)易結(jié)算等場合,可以用1.0級或0.5級等高級儀表;而無需精確控制和計量的場合,可以選擇2.5級等低精度儀表,甚至可以選擇插入式渦街流量計;
(2)流量范圍 每種渦街流量計都有一個測量范圍,儀表口徑需要與管道一致,而儀表規(guī)格不一定與工藝管道相同,是測量流量范圍是否在流速范圍內(nèi)確定;
(3)變送器選擇 在實(shí)際應(yīng)用中,一般考慮測量飽和蒸汽的流量不得低于渦街流量計的下限(5 m/s),然后根據(jù)用汽量大小選擇變送器口徑,不能以現(xiàn)有工藝管道口徑進(jìn)行選擇;
(4)壓力補(bǔ)償壓力變送器選擇 當(dāng)管路較長時,壓力波動較大,必須采用測量補(bǔ)償,考慮到壓力、溫度和密度對應(yīng)關(guān)系,只需要壓力補(bǔ)償即可;
(5)顯示儀表選擇 顯示儀表智能流量顯示儀,具有穩(wěn)壓補(bǔ)償、瞬時流量顯示和累計流量計算功能,可以選擇與第四項合并的溫壓補(bǔ)償一體式即可。