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涡街流量计旋涡发生体的设计、性能及在干标定中的应用

来源:编辑:发表时间:2016-09-23 11:14:42

摘 要:本文通过先容涡街流量计旋涡发生体的设计、性能及在干标定中的应用,使大家更加了解旋涡发声体,有利于提高涡街流量计更好的应用。

        涡街流量计是20世纪70年代发展起来的一种新型的流量仪表。因为许多优点,受到用户的欢迎,发展较快,应用不断扩大。一台完整的涡街流量计应由表体、发声体、检测元件和信号转换等组成。首先大家了解一下涡街流量计的工作原理,根据卡门涡街原理,旋涡频率f与管内平均流速有如下关系:
f=St u/md
式中:
f:旋涡频率 (Hz);
St:斯特劳哈尔数;
u:平均流速 (m/s);
d:发生体迎流向的宽度 (m);
D:测量管内径 (m);
涡街流量计仪表系数:k=f/qv
k:仪表系数 (p/l);
Qv:体积流量 (m/s)。
        通过以上两个公式可以看出仪表系数k与以下因素有关:
(1) St数只与发生体形状和雷诺数有关。流体雷诺数在2×104——7×106 范围内,St可视为常数。
(2)发生体和测量管的几何尺寸有关。
        可以看出,涡街流量计测量准确的前提是必须保证旋涡发生体的特征宽度(迎流宽度)d不变,下面大家的重点讨论一下发生体的性能、作用及应用等。

一、旋涡发生体的性能
        用于产生涡街流动的非流线型柱体称为旋涡发生体,它是产生涡街的核心部件。它的主要功能就是在三维的管流场中,迫使旋涡在其轴间产生同步分离,把三维的管流变成二维的旋涡流。涡街流量计的流量特性(仪表系数、线性度、范围度)和阻力特性都与发生体的形状与几何参数密切相关。大量实践证明,一种性能优良的发生体应满足以下几方面要求:
1 应有较陡断(钝)的截面形状,具有这种形状的非流线型柱体,是产生旋涡分离的条件。
2 柱体的两侧具有明显的棱边,能控制旋涡在发生体的轴线方向上同步分离,并在较宽的雷诺数范围内,保持旋涡分离点稳定,这是保持斯特劳哈尔数St恒定的必要条件。
3 它是一根均匀的柱状体,在柱体的轴线方向上所有的横截面形状是相同的,均匀的,对称的,这是把三维管流转变成二维的旋涡流的条件。
二、旋涡发生体状况发生变化而引入的测量误差
1 发生体锐缘磨损产生的影响
        涡街流量计旋涡发生体的迎流向的两条棱边正常情况下是锐利的,但若被测流体中含有固形物,则锐缘很容易被磨损而变成圆弧,虽然流量系数K对边缘的锐利度变化不像孔板流量计那样敏感,但由于几何形状和尺寸发生了变化,也会引起流量系数的变化,横河企业对旋涡发生体锐缘变钝对流量系数的影响做过测试,随着锐缘半径的增大,K系数不断增大,流量示值成正比增加。所以选择耐磨性优良的材质制造发生体,是改善磨损的积极方法。
2 流体温度变化对发生体的影响
        当温度变化时,温度引起金属材料几何尺寸发生变化,包括表体、发生体等(特别是测量蒸汽流量时)。由于可能的温度变化大,所引起的影响是很可观的,一般需要修正。
3 发生体迎流向堆积产生的影响
        当被测流体中存在黏性颗粒或夹杂较多纤维状物质,则可能会逐渐堆积在旋涡发生体迎流面上,使其几何形状和尺寸发生变化,因而流量系数也相应变化,据日本OVal企业工作人员著文透露模拟试验结果。在该企业三角柱发生体端的堆积物厚度为0.01D时,附加误差为 -2%,为0.02D时,附加误差为-3.4%。
三、旋涡发生体是干标定的核心部件
        流量计实流标定会给仪表的生产企业和用户带来巨大的工作量和经济上、能源上的耗费。长期以来,人们希望用一种“干标定”方法来替代繁琐的实流标定,根据涡街流量计的特点,实现干标定是非常可能的必然的,因为涡街具有以下三个关键原因:
(1)涡街流量计无可动的部件,稳定性和可靠性较高,是干标定仪表的必备条件。
(2)干标定的核心部件——发生体的几何形状简单,经多年的应用,逐步趋向性能优良的少数几何发生体。
(3)对涡街流量的仪表系数K的影响量主要是发生体的几何参数与被测介质物理性质无关。
所以, 很多国家都在研究涡街流量计的干标定,其中日本取得了一些进展,在日本工业标准(JISI8766:2002)中写了有关涡街流量计干标定内容,确定的标准发生体是公认性能较好的三角柱形发生体,制定了标准发生体具体尺寸参数(略),下面大家对发生体加工、装配中产生误差进行探讨,误差来源主要来源为偏角,对称度、底部缝隙影响三个方面,通过试验对他们提出限定范围,以适应于标定的要求。
(1)偏角是发生体流动方向的轴线与测量管轴线间的夹角,通过在水流试验中得出数据是偏角达到8时,K系数变化达到6.6%-8.24%。在空气和水中试验结果大体相同,即偏角必须控制在2以内。
(2)发生体底部缝隙是指旋涡发生体底部圆弧与表体测量管内壁之间的距离,理想的缝隙为无穷小,但不为零,实际上是做不到的。试验中发现缝隙的大小不仅影响仪表系数和线性度,当缝隙较大时,甚至使旋涡不能稳定分离,涡街信号不稳定,噪声很大,经过试验确定缝隙大小应控制在(0.02+0.01)mm范围内。
(3)对称度即发生体的中心轴线偏离测量管中心线的距离。造成发生体不对称的原因是发生体加工不对称和表体加工的不对称,不对称度对仪表性能的影响主要表现在高流速区域。通过试验确定发生体的不对称度应控制在 0.15mm之内。
通过以上对发生体的简单论述,大家了解到涡街流量计准确度的保证,发生体是个关键原因,只有加工精密,应用合理才能保证涡街流量计的准确可靠,为大家提供准确的计量数据。

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