[摘要]文章(zhāng)介紹差動開關(guan)電容式渦街流(liú)量計 的結構原(yuán)理及其在蒸汽(qì)計量中的實際(jì)應用，并對安裝(zhuāng)使用過程中較(jiao)容易.疏忽的一(yi)些問題進行分(fen)析。
　　随着能源短(duan)缺時代的到來(lái)以及人們環保(bǎo)意識的❄️不💔斷👌提(ti)高和對安全生(shēng)産的高度重視(shi)，集中供熱事業(ye)得到快速發展(zhan)。熱能變成一種(zhǒng)商品，供汽和收(shou)費自然成❄️爲熱(rè)力公司的根本(ben)，蒸汽計量顯得(de)越來越重要。
　　熱(re)力公司面向廣(guǎng)州經濟技術開(kāi)發區、高新區、出(chū)口加工🧑🏾‍🤝‍🧑🏼區和🥰保(bao)稅區的集中供(gong)熱企業，熱源有(you)廣州恒運集團(tuán)熱電(A、B、C、D)廠㊙️的二次(cì)蒸汽和熱力公(gong)司自建的3台蒸(zhēng)汽鍋爐，供汽能(neng)力達300t/h,蒸汽管網(wang)總長約50kmn,蒸汽用(yong)戶目前以區内(nèi)的50多家✂️工廠企(qi)業爲主。工業用(yòng)戶的特點是:(1)各(gè)用戶的蒸汽用(yong)量相差很大，小(xiao)的不足1t/h,大的🏃高(gāo)達50t/h,相應的蒸汽(qì)流量計口徑大(da)小從DN10~DN300mm;(2)連續生産(chan)連續用汽，尤其(qi)是一-些大用💰戶(hu)，若意外停汽将(jiāng)會造成重大的(de)經濟損失，(3)流量(liàng)變化量大，視生(sheng)産🔴時段而定。因(yīn)此，對蒸汽計量(liàng)儀表選型的基(ji)本要求是:穩定(ding)可🙇‍♀️靠、量程比寬(kuan)、精度.高、維護工(gōng)作量少。近幾年(nián)來，我們采用以(yǐ)差動開關電容(rong)式渦街流量計(ji)爲基礎的蒸⛹🏻‍♀️汽(qì)流量測量系統(tong)，取得明顯的效(xiào)果和經濟效益(yì)。
1差動開關電容(róng)式渦街流量計(jì)
1.1基本工作原理(lǐ)
　　渦街流量計 是(shì)基于“卡門渦街(jiē)”原理實現流量(liàng)測量的儀表。
　　在(zài)流體的管路中(zhōng)設置非流線型(xing)柱狀阻力部件(jiàn)，在某一雷☀️諾數(shù)Re範圍内，其下遊(yóu)兩側将産生旋(xuan)渦分離現象，形(xing)成兩排交替出(chu)現的旋渦列并(bìng)依次向下遊流(liu).去，連續不斷💋，好(hǎo)象--條由旋渦組(zu)成的街道，形象(xiàng)地✉️稱爲鍋街”。當(dāng)渦列寬☂️度h與同(tóng)列相鄰兩旋渦(wō)的間距L之比滿(mǎn)足h/L=0.281時，這樣的渦(wō)街陣列幾何結(jie)構才穩定，稱爲(wei)卡門渦街。産生(shēng)旋渦分離的阻(zu)力部.件稱爲旋(xuan)渦發生體見圖(tú)1)。當旋渦發生💋體(tǐ)爲三角柱體時(shi)，其旋渦分離頻(pin)率f(單位:Hz)和管道(dao)内平均流速v旋(xuán)渦發生體迎💛流(liú)面寬度d之間關(guan)系爲:
f=St.ʋ1/d=St.ʋ/[(1-1.25d/D).d](1)
　　式中:St爲斯(si)特勞哈爾數無(wú)量綱)，在一定Re範(fan)圍内，st爲常數❄️;ʋ1爲(wèi)發生體兩側流(liú)體的平均流速(su)，m/sD爲管道内徑，m;d/D爲(wèi)柱寬比，即旋渦(wo)發生體寬度與(yǔ)管徑之比值;v爲(wei)旋渦發生體前(qian)平均流速,m/s。
 
　　因管(guan)道中平均瞬時(shi)流量qv[m3/h]與管徑D和(he)平均流速v關系(xi)爲:
 
　　實驗表明，當(dang)雷諾數Re≥20000時,斯特(tè)勞哈爾數st基本(ben)爲恒定值，如三(san)角柱發生體st=0.16,另(ling)一方面,對于給(gei)定形式的具體(tǐ)儀表，其幾何尺(chi)寸D、d和相互關系(xì)等已确定，故儀(yí)表🙇🏻系數K值也确(que)定，與流體👈物性(xing)和組分無關。所(suǒ)以操作狀态體(tǐ)積流量qv與旋渦(wō)頻率ƒ成線性比(bǐ)例關系:
qv=ƒ/K(5)
　　由此可(ke)見，隻要正确檢(jian)測旋渦頻率便(biàn)可得知體積流(liú)量，這就是渦街(jiē)流量計的檢測(cè)基礎和基本工(gōng)作原理。而如何(hé)正确檢😄測旋渦(wō)頻率則成爲決(jue)定渦街流量計(jì)整體性能的關(guan)鍵，各種渦街流(liu)量計的明顯區(qu)别也在于采用(yòng)的檢測技術元(yuán)件)不同，如從早(zao)期熱敏電阻元(yuán)件的熱敏式渦(wo)街流量計，後來(lái)市場較👅多的壓(yā)電晶體元件的(de)應力式渦街流(liú)量計，到近期發(fā)展起來的差動(dong)開關電容式渦(wo)街流量計等等(deng)。
1.2結構原理
　　差動(dòng)開關電容式渦(wō)街流量計(以下(xia)簡稱電容式渦(wo)㊙️街)采用差動開(kāi)關電容傳感器(qi)(以下簡稱DSC傳感(gǎn)器)檢測卡門渦(wo)街産生的旋渦(wō)頻率信号。整個(ge)信号檢測⭐處理(li)過程如圖2。
 
　　DSC傳感(gan)器爲外置懸臂(bi)式結構(圖3)，獨立(lì)于.儀表旋渦發(fā)生體但🐪又徑向(xiang)插入發生體的(de)中心孔中，并與(yu)兩側導壓💰孔連(lian)通，以檢測卡門(mén)旋渦壓力的變(bian)化。它實質是一(yī)個✌️電容式機-電(diàn)轉換器。
 
　　外觀爲(wei)圓簡形且下端(duān)密封而管壁又(you)很薄的振動舌(shé)作爲電容器的(de)公共電極，其内(nei)部有兩個附于(yú)同---支座下端但(dan)又相互絕緣的(de)弧狀形電極。這(zhè)兩個電極與公(gong).共電極振動舌(shé)内壁之間保留(liu)🌐有充滿空氣的(de)微小間隙，構成(chéng)兩個電容器，電(diàn)介質爲空氣，其(qi)電♻️容的大小與(yu)電極和振動✌️舌(shé)内壁之間的距(ju)離成反比。當振(zhen)動舌發生形變(biàn)或位移時就會(huì)使兩個電容👄失(shi)去平衡，産生差(cha)🏃‍♂️動電容。
　　當旋渦(wo)産生時在兩側(ce)形成微小壓差(chà)，旋渦壓力使振(zhen)👌動舌發生左右(you)撓性振動，由于(yu)内部兩個電極(jí)及其支座仍固(gù)定不動，從而一(yī)個電容間隙增(zeng)大(電容量變小(xiao))，同時另一電容(rong)🏃🏻間隙減小(電容(rong)量變大)，反之亦(yi)然，也即⭐導緻兩(liǎng)電容的大小因(yin)距離相對變化(hua)而發生周期性(xìng)的變化，産生了(le)差動信号。這也(yě)是差動開關電(dian)容檢測電路所(suo)檢測到的唯一(yi)信号。差動信👉号(hào)呈正弦波形式(shi)，經前置🈚放大器(qì)處理後以PEM(脈沖(chòng)頻率調劑)脈沖(chong)信号形式輸出(chu)。
2.3性能特點
　　當管(guǎn)道發生振動時(shi)，振動的慣性力(li)同時作用在振(zhen)動舌和♻️電極上(shàng)，使它們在同方(fang)向上産生形變(bian)，由于振動舌與(yǔ)兩個電極及支(zhī)座的振動特性(xing)和幾何結構相(xiàng)匹💃🏻配，它們對于(yu)外部振動的響(xiǎng)應是同步的，即(jí)形變量相-緻，兩(liǎng)個電容間隙沒(méi)有相對變化，故(gù)不産🔞生差動信(xin)号，因此能夠消(xiao)除任何方向、頻(pín)率≤500Hz加速度≤1g的強(qiang)機械振✏️動的影(yǐng)響。
　　應用現代工(gong)程材料與方法(fa)，使其工作溫度(dù)範圍擴展至-200℃~+400C,而(er)且不存在破裂(lie)、老化等問題，能(neng)夠承受得住🍉高(gāo)達🏃100℃/s的熱沖擊。振(zhèn)動舌的管壁很(hen)薄，因此靈敏度(dù)很高，即流速下(xià)限可以很❗低(介(jie)質爲水時，流速(sù)爲0.2m/s);又因爲振動(dòng)舌💃爲圓簡形不(bu)鏽鋼，機械結構(gou)堅固，可以耐🐇高(gao)流速旋渦🏃🏻的壓(ya)力作用，所以流(liu)速上限較高(介(jie)質爲水時，流速(su)爲9m/s.介質爲蒸汽(qi)和氣體時，流速(su)爲🏃🏻75m/s)。由于兼顧了(le)流速的兩個極(jí)端，因此量程比(bi)很.寬(最高可達(da)40:1)。
2溫度壓力補償(cháng)與測量系統
　　渦(wō)街流量計 是一(yī)種速度式流量(liang)計，其直接檢測(cè)結果是給出操(cao)作狀态下🚩的🐅體(ti)積流量，在其測(cè)量範圍内，這種(zhǒng)體積流量不受(shou)流體溫度、壓力(li)🏃‍♀️、密度、粘度、成分(fèn)等性質變化所(suǒ)影響，因而是正(zheng)确的，不需要任(ren)何溫度、壓力補(bu)償。但工程上測(ce)量蒸汽流量時(shí)習慣上以質量(liang)流量qm，單位用kg/h或(huò)t/h表♈示，所以上述(shù)體積流量qv需㊙️要(yào)引入蒸汽🐇密度(dù)Q(p,T)參數進行折算(suan):
 
　　而蒸汽密度Q是(shi)直接受到蒸汽(qi)工作狀态如溫(wēn)度T、壓力p等影響(xiǎng)的，例如溫度爲(wei)190℃的蒸汽，當壓力(li)由1.IMPa上升到1.2MPa時，其(qi)密度約增⁉️大了(le)🈲10%,可見，蒸汽性質(zhi)變化或操作條(tiáo)♻️件波動時會産(chan)💃生一定的附加(jia)誤差。因此在體(tǐ)積流量檢測的(de)同時還要進行(háng)溫度壓力的檢(jiǎn)測，也即通過T、p對(dui)Q進行實時補償(cháng)以消除系統的(de)附加誤差，保證(zheng)最終需要的☂️檢(jian)測結果即質量(liang)流量的正确率(lü)，而這🍉些補償運(yun)☎️算工作均在流(liú)量積算儀中自(zì)動完成。所💔以，應(ying)用渦街流量計(ji)測量蒸汽流量(liàng)時，溫度壓力補(bu)償是很有必要(yào)的。
　　在本測量系(xi)統中，蒸汽的體(tǐ)積流量qv壓力p和(he)溫度T分别通過(guo)電容式渦街流(liu)量計、壓力變送(song)器和熱電阻(P1100)的(de)檢🔞測而🛀轉換爲(wei)PFM脈沖、4~20mADC和電阻值(zhí)信号，并同時輸(shū)入現場的智能(neng)流量積算儀進(jìn)行運算和顯示(shì)，其讀數即爲補(bǔ)償後的蒸汽質(zhi)量流量qm。
　　此外，由(yóu)于蒸汽用戶分(fèn)散并且距離較(jiào)遠，給管理帶來(lái)🌈了諸多不便，爲(wei)此我們利用流(liú)量積算儀的通(tōng)訊功能(RS485)和專網(wǎng)無線傳輸技術(shu)，與上位計算機(ji)(智能終端)構成(chéng)網絡，将各測量(liàng)🤟點的計量數據(ju)實時傳輸到熱(re)力公司🍉的主機(ji)中進行監控與(yǔ)儲存，可💁在主機(ji)中随時查詢任(rèn)何一個用戶點(diǎn)的流量、壓力、溫(wen)度等參數和掉(diao)電情況，從而實(shí)現了遠❌傳監控(kòng)管理，也成爲企(qi)業信息化建設(shè)的一部分。
　　綜上(shang)所述，每個測量(liàng)點的系統構成(chéng)如圖4。
 
3應用實例(li)
　　在50多個測量點(dian)中，下面是幾種(zhǒng)典型的應用例(li)子。
3.1大流量、長管(guan)線
　　某公司分别(bie)采用電容式渦(wō)街DN200、DN250,蒸汽流量在(zài)20~30t/h之間，蒸汽🌍管線(xiàn)長約☁️5km,位于熱源(yuan)點末端，有時蒸(zhēng)汽處于過熱與(yu)飽🏃‍♀️和的臨界狀(zhuàng)态，但運🔆行一直(zhí)很正常。
　　另一用(yòng)戶麥芽公司的(de)管線長約3km,在設(shè)計階段，由于對(dui)蒸汽用量估算(suan)不足，僅采用DN200電(dian)容式渦街，但實(shi)際使用時，其蒸(zheng)汽用量大大超(chāo)出原設計用量(liang)，正常30t/h左右，有時(shi)甚至達到40t/h以上(shàng)。過大的🌈流量，造(zao)成管線中的蒸(zheng)汽流速🐉極高(現(xiàn)場常可聽到管(guan)道中的❗銳嘯聲(sheng)),這對該電容式(shi)📧渦街的性能提(tí)出較高的要求(qiú)，但使用以來，一(yi)直運行🍓良好。
3.2大(dà)管道、小流量
　　根(gen)據長遠的用汽(qì)規劃，鋪設DN250蒸汽(qi)管道并選用DN200電(dian)容式🈲渦‼️街，雖然(ran)目前建廠初期(qī)蒸汽用量僅5~10t/h,相(xiàng)對于DN200電容式🥰渦(wo)街💰而言流量偏(piān)小，卻仍然落入(ru)其測量範圍之(zhi)内，故理論.上🌏能(neng)準确計量。爲便(bian)于了✍️解該渦街(jiē)運行情況，熱🥵力(li)公司在同一管(guan)道的供汽端加(jia)裝了--台應力式(shi)渦街流量計采(cai)用壓電晶體傳(chuán)感器)作爲比📧較(jiao)，但由于小流量(liàng)丢失、穩定性差(chà)等原因，其讀🧑🏽‍🤝‍🧑🏻數(shu)誤✨差達5%~30%，顯然，這(zhè)種數據已失去(qu)參考價值;後來(lai)換裝成👣電容式(shì)渦街，結果兩台(tai)電容式渦街的(de)測量數據基🌏本(běn)保持一緻。
3.3流量(liang)變化大
　　大多蒸(zhēng)汽管道尺寸較(jiào)小的蒸汽用戶(hù)均存在蒸汽♌用(yòng)量變化大的特(te)點，因爲這些用(yòng)戶主要集中在(zai)加熱攪拌、烘烤(kao)及酒店、生活區(qū)等行業，如慧達(da)化工、秉信紙業(yè)、捷普生活區、新(xīn)港碼頭等單位(wèi)，蒸汽用量因不(bu)同季節⛱️(如冬天(tian)多🔞，夏天少)和不(bu)同時段(如做飯(fan)、洗澡時用量多(duo),其餘時間用💞量(liàng)少)差異非常大(da)，如果安⭐裝傳統(tǒng)孔闆流量計，需(xu)要2~3套進行切換(huàn)，而渦街1套便❗可(kě)滿足要求。以秉(bǐng)信紙業公司爲(wèi)例，在滿負荷工(gōng)作時，其用汽量(liang)可達到💁3t/h,當處于(yú)用汽低峰時，其(qi)用汽量不足0.1t/h,所(suo)以💋要求流量計(jì)具有非💋常寬的(de)量程比，否則将(jiang)會造成小流量(liàng)的丢失，但從現(xian)場安裝💃的DN80電容(rong)式渦街運行情(qíng)況看，幾乎不🚶存(cun)在什麽小流量(liàng)丢失的問題，因(yīn)而避免了供汽(qì)用汽雙♋方因計(jì)量不準而引起(qi)的糾紛。
3.4管道機(jī)械振動
　　現場蒸(zheng)汽管道總是存(cún)在一些振動現(xiàn)象，由于機器設(shè)備🙇🏻運👈轉或👄車輛(liang)行駛等引起的(de)管道機械振動(dong)更是難以避免(mian)，最典型⛱️的就是(shi)力嘉公司和綠(lǜ)箭香口膠公司(sī)兩家蒸汽用戶(hù)，它們的廠區緊(jin)靠馬路，蒸汽支(zhi)管線都不可避(bi)免要經過交通(tōng)主幹道。前者原(yuan)來使用DN25應力式(shì)渦街，結果常常(chang)能根據現場突(tu)變的檢測信号(hao)(反映爲瞬時流(liu)量讀數急增)而(ér)準确預測到大(da)型車輛正在經(jīng)過，這說明其很(hěn)容易受振動幹(gan)擾;後者安裝DN80電(dian)容式渦♌街流量(liang)計，其在同樣有(you)大型車輛經過(guo)時，其顯示值卻(què)沒有什麽變化(hua)，這證明🚩其抗振(zhèn)動幹擾性能良(liáng)好。
3.5間隙性用汽(qi)
　　本田汽車公司(si)安裝了DN80電容式(shi)渦街流量計,其(qi)蒸汽流量5t/h左☂️右(you)💚。由于是間隙性(xìng)使用，一天之内(nei)需要頻繁多次(cì)停汽、用汽，這顯(xian)然會對渦街形(xíng)成頻繁沖擊，由(you)此所引起的幹(gàn)擾也會增多，因(yīn)此要求🧑🏽‍🤝‍🧑🏻所用渦(wō)街具有較高的(de)🈲抗流速沖擊、抗(kàng)熱沖擊和抗振(zhèn)動幹擾的能力(li)。從現場觀察和(he)計量🔞數據分析(xī)看🌂，該電容式渦(wo)✏️街完全能适🌈應(yīng)這一工況，儀表(biǎo)運行一直正常(chang)。
4注意事項
　　渦街(jiē)應用效果是産(chǎn)品性能、選型、安(ān)裝的綜合反映(ying)。現就應用中容(rong)易疏忽的幾個(ge)問題作一分析(xī)，以引🙇🏻起注意和(hé)❤️重視🤟。
(1)在設計選(xuǎn)型階段，必須依(yi)據蒸汽的實際(jì)工藝參數選🔴擇(zé)合适的渦街口(kou)徑大小，而管道(dao)尺寸僅作爲參(cān)考。經驗表明，管(guǎn)路設計時往往(wang)留有很大的餘(yú)量,蒸🏒汽管道尺(chǐ)寸普遍偏大💜，如(rú)果按🐪原管道選(xuan)擇渦街口🌐徑，經(jing)常會造成精度(du)下降(小流量丢(diū)失)甚至不能計(ji)量的後果;而根(gēn)據參數選出的(de)渦街口徑常常(cháng)有小🚶‍♀️--檔的情況(kuang)，這時安裝渦街(jiē)需要一段同心(xīn)縮管。
(2)安裝時必(bì)須嚴格依據施(shi)工規範。例如，前(qian)後直管段長度(du)必須滿足渦街(jiē)流量計的技術(shù)要求，渦街儀表(biǎo)體中🆚心線與前(qian)🌈後直🌈管道中心(xīn)線同軸，密封墊(nian)不能伸入管道(dào)中，這樣可以防(fáng)止因部分流通(tōng)面積被蓋住、流(liu)速分布發生畸(ji)變、流場受幹擾(rǎo)而引起測量誤(wu)㊙️差;蒸汽管道測(ce)量段保證☁️沒有(you)冷凝水;對于新(xīn)裝工藝管道，在(zài)吹掃時必須先(xian)把渦🌐街拆下，吹(chui)掃幹淨後方可(ke)裝回。
(3)電氣接線(xiàn)必須規範,現場(chang)的防水、防高溫(wēn)措施必須到位(wei)。例如♍，儀表體處(chù)的保溫隔熱層(céng)的高度不能高(gao)于表㊙️頭支架的(de)一半，這樣🈲支架(jià)中有保溫部分(fen)(下半部)可阻止(zhi)熱幅射，無保溫(wen)部分(上半部)可(kě)防止熱量傳遞(di)到表頭;水平管(guan)道時，表頭應盡(jìn)可能水平放置(zhì)😄，以便盡量降低(dī)熱空氣對前置(zhi)放大器電子元(yuan)件的影響。
5結束(shu)語
　　本測量系統(tong)的核心是差動(dòng)開關電容式渦(wō)街流量計，它對(duì)于測量是否成(chéng)功起到決定性(xìng)作用。幾年的應(ying)用實踐表明，這(zhe)種電容式渦街(jie)工作穩定可靠(kào)，抗☂️振動幹擾強(qiang)，不存在應😄力式(shì)渦街流量計那(na)種對振動的敏(min)感性，其測量👉數(shu)據是可信的、是(shì)公正的，也沒有(yǒu)應力式.渦街常(chang)因雷擊而損壞(huai)的這類問題;結(jié)構堅固,沒有可(ke)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻動部件，不存在(zài)磨損和堵塞問(wèn)題，無需維護，使(shi)用成本低;靈敏(min)度高，量程比寬(kuān)，減少了小流量(liang)丢失;儀表精度(dù)高可達0.5%),且長期(qi)運行幾乎不會(hui)改變,而精度的(de)提高對于蒸汽(qi)計量有着明顯(xian)的經濟👉價值。它(ta)的成功應用，爲(wei)解決熱力公司(sī)高溫蒸汽正🔞确(què)計量這個難;題(tí)提供一個非常(cháng)有效的途徑。

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