DN50煙氣流量計(jì)

DN50煙氣流量計(jì)其工作機(jī)理是“卡門渦街”，是一類流體振蕩式的測(cè)量儀器。“卡門渦街”的原理是：待測(cè)管道流體中放進(jìn)一根(或數(shù)根)非流線型截面的旋渦發(fā)生體，等到雷諾數(shù)到達(dá)特定數(shù)值，在旋渦發(fā)生體兩側(cè)分離出兩串交錯(cuò)有序的旋渦，此過程具有交替性，我們將這種旋渦叫作卡門渦街 [3] 。在特定雷諾數(shù)范圍之間，旋渦的分離頻率同旋渦發(fā)生體與管道的幾何尺寸息息相關(guān)。數(shù)據(jù)表明，旋渦的分離頻率同流量存在正相關(guān)性，此頻率可通過傳感器獲得。以上渦街流量計(jì)與卡門渦街的關(guān)系可從圖1看出，二者有如下邏輯關(guān)系：

式中：

f 為旋渦分離頻率，Hz ；

S r 為斯特勞哈爾數(shù)；

U 1 為旋渦發(fā)生體兩側(cè)的平均流速，m/s ；

d 為旋渦發(fā)生體迎流面的寬度，m；

U 為被測(cè)介質(zhì)來流的平均流速，m/s ；

m 為旋渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積與管道橫截面面積之比。不可壓縮流體中，由于流體密度 ? 不變，由連續(xù)性方程可得到： m = U / U 1 。

式中：K 為渦街流量計(jì)的儀表系數(shù)，1 /m 3 。通過式（3）不難看出，儀表系數(shù) K 是渦街流量計(jì)的計(jì)量特性的定量表征，數(shù)據(jù)表明，其儀表系數(shù)只和其機(jī)械結(jié)構(gòu)與斯特勞哈爾數(shù)有關(guān)，同來流流量并無相關(guān)性。

研究發(fā)現(xiàn)，蒸汽對(duì)渦街流量計(jì)計(jì)量特性存在較大影響。可總結(jié)為三個(gè)方面：

首先，從公式（3）中能夠得出，機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸 D 、m 、 d 以及斯特勞哈爾數(shù) S r 這些參數(shù)與K值大小存在較大關(guān)聯(lián)性?；谖锢碓硌芯堪l(fā)現(xiàn)，在流體介質(zhì)條件存在差異情況下，機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸的改變一般是與溫度的改變引發(fā)的熱脹冷縮效應(yīng)息息相關(guān)。

第二，雷諾數(shù)對(duì)斯特勞哈爾數(shù) S r 產(chǎn)生較大影響，前者又與粘度密切相關(guān)，而粘度的差異性又取決于流體的差異，既而引發(fā)斯特勞哈爾數(shù) S r 的區(qū)別。

第三，公式（3）的推導(dǎo)過程是以不可壓縮流體為前提的，當(dāng)換作氣體介質(zhì)時(shí)，由于可壓縮性的區(qū)別或許會(huì)引發(fā)儀表系數(shù)產(chǎn)生誤差。以上三個(gè)因素對(duì)于渦街流量計(jì)的影響將在下一節(jié)進(jìn)一步探討。

2 蒸汽介質(zhì)斯特勞哈爾數(shù)的影響

嚴(yán)格而言，斯特勞哈爾數(shù)是一種相似準(zhǔn)則，是在討論流體力學(xué)中物理相似和?；且氲母拍?[4] 。其是用來表征旋渦頻率和阻流體特征尺寸、流速關(guān)系的。在特定雷諾數(shù)區(qū)間中，旋渦的分離頻率和旋渦發(fā)生體與管道的幾何尺寸密切相關(guān)，換言之斯特勞哈數(shù)可視為定量。

由圖2可看出，在 R eD =2×10 4  7×10 6 區(qū)間內(nèi)，斯特勞哈數(shù)是定值，此也是儀表的正常工作區(qū)間。

現(xiàn)實(shí)情形下， S r 即便在 R eD =2×10 4  7×10 6 區(qū)間內(nèi)，也與 R eD 的改變發(fā)生變化，參照1989年日本制訂的渦街流量計(jì)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JISZ8766《渦街流量計(jì)——流量測(cè)量方法》。2002年加以修訂，把渦街流量計(jì)發(fā)生體的固定形式歸為兩種，《標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的旋渦設(shè)計(jì)，發(fā)生體依據(jù)插入測(cè)量管頂端固定與否區(qū)別為標(biāo)準(zhǔn)1型與標(biāo)準(zhǔn)2型，它們的 S r 值存在較小區(qū)別，詳見表1數(shù)據(jù)。

標(biāo)準(zhǔn)2型 S r 的平均值是0.25033，它的標(biāo)準(zhǔn)偏差是0.12%；而標(biāo)準(zhǔn)1型為0.3%，現(xiàn)階段我國一般廣泛采用標(biāo)準(zhǔn)1型。而標(biāo)準(zhǔn)2型在日本橫河儀表研制的渦街流量計(jì)普遍采用。

通過雷諾數(shù)的推導(dǎo)公式不難得出，檢測(cè)時(shí)，蒸汽和空氣因?yàn)檎扯鹊膮^(qū)別，會(huì)引發(fā)雷諾數(shù)存在差異。參照一般實(shí)驗(yàn)情況下三類流體介質(zhì)的工況差異，它們的運(yùn)動(dòng)粘度詳見表2：

式中：

? 表征介質(zhì)密度；

D 表征管徑；

u 表征流速；

? 表征介質(zhì)動(dòng)力粘度；

v 表征介質(zhì)運(yùn)動(dòng)粘度。

通過以上各參數(shù)數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，水的運(yùn)動(dòng)粘度低，空氣高，蒸汽介于二者之間。三者比例是1：15：4。所以若使雷諾數(shù)一致，應(yīng)使水的流速小，空氣大，蒸汽在區(qū)間取值。在對(duì)儀表的系數(shù)進(jìn)行檢定過程中，通常應(yīng)考慮雷諾數(shù)一致時(shí)，真實(shí)測(cè)量過程中的差異性誤差。尤其在蒸汽的測(cè)量時(shí)，儀表量程的選型是參照在空氣介質(zhì)下測(cè)量獲得的體積流量區(qū)間與蒸汽的密度乘積，推導(dǎo)出蒸汽的體積流量區(qū)間。這種算法會(huì)引發(fā)差異性介質(zhì)下雷諾數(shù)的區(qū)間差異。細(xì)致分析上表可得出，只要雷諾數(shù)在既定范圍內(nèi)，檢定過程中并不會(huì)由于介質(zhì)的不同造成較大的誤差，這個(gè)影響可不考慮。但雷諾數(shù)不可超出規(guī)定區(qū)間，否則會(huì)引發(fā) S r 的較大差異，造成誤差。

通過表3不難發(fā)現(xiàn)，要得出渦街流量計(jì)基于低流量的限雷諾數(shù)，口徑一致情況下三類介質(zhì)的小流速應(yīng)滿足1.0：4.0：15.0的大致比例。所以不可以將空氣介質(zhì)下的體積流量區(qū)間等同于蒸汽介質(zhì)下的數(shù)值。

3 蒸汽介質(zhì)物理特性影響分析

1873年，荷蘭著名物理學(xué)家范德瓦爾斯特實(shí)驗(yàn)室中，發(fā)現(xiàn)了水蒸氣的物理性質(zhì)，得出氣體分子間有著一定作用力，繼而推導(dǎo)出氣體的狀態(tài)方程以輔助理論驗(yàn)證，這就是著名的范德瓦爾斯特氣體狀態(tài)方程 [5] 。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，水蒸汽的分子的體積和相互的作用力比較大，無法以理想的氣體狀態(tài)方程加以表征。參照范德瓦爾斯特公式（5）的計(jì)算過程：

式中：

p 為壓強(qiáng)；

V 為1摩爾氣體的體積；

R 為普適氣體常數(shù)；

a 為度量分子間引力的參數(shù)；

b 為1摩爾分子本身包含的體積之和。

以上公式（5）中因子 a 和 b 的值因氣體的性質(zhì)不同而存在差異，一般地，氣體的分子間引力參數(shù) a 與 b 分子體積 表述如表3所示。

         范德瓦爾斯特提出，氣體分子間的吸引力與間距存在負(fù)相關(guān)性，也就是密度的概念。把此理論使用在渦街流量計(jì)的測(cè)量過程中，通過表中的數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，水蒸汽分子間的吸引力a的數(shù)值較大，相當(dāng)于氧氣與氮?dú)獾?倍多。所以，在測(cè)量實(shí)際氣體時(shí)，基于同等壓力條件，水的分子間的吸引力的數(shù)值較蒸汽與空氣大得多，而蒸汽又顯著大于空氣。用渦街流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，發(fā)生體兩側(cè)的位置因?yàn)榱魉偌哟?，引起靜壓力減小，體積擴(kuò)張，流體密度隨之減小，而水介質(zhì)由于分子間作用力大，并無明顯膨脹情況。蒸汽的分子間的吸引力比空氣大，所以前者膨脹性更低，密度變化也更小。參考流量的連續(xù)性方程得出，因?yàn)榭諝饷芏茸兓?，所以它的發(fā)生體兩側(cè)的流量變化較蒸汽介質(zhì)更大，所以它的儀表系數(shù)比蒸汽介質(zhì)變化更顯著。

技術(shù)參數(shù)

表2法蘭卡裝參考尺寸（mm）



表3法蘭連接參考尺寸（mm）

DN50煙氣流量計(jì)溫壓補(bǔ)償通常指儀表測(cè)量的數(shù)據(jù)是在溫度25度，壓力為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為條件下的結(jié)果，通常測(cè)量現(xiàn)場的溫度和壓力與標(biāo)準(zhǔn)有區(qū)別，所以一般儀表都能測(cè)量現(xiàn)場溫度與壓力，然后通過計(jì)算公式對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)。
 做計(jì)量用的氣體測(cè)量時(shí)，由于要盡量準(zhǔn)確，而工藝條件在不斷變化，即被測(cè)氣體的溫度、壓力在不斷變化中，造成被測(cè)氣體的密度也就不斷變化，如果不進(jìn)行溫壓補(bǔ)償，測(cè)量的氣體流量肯定不會(huì)準(zhǔn)確，所以測(cè)量時(shí)將被測(cè)氣體的溫度、壓力引入流量測(cè)量系統(tǒng)，使系統(tǒng)通過換算進(jìn)行補(bǔ)償，這樣就使得測(cè)量結(jié)果盡量準(zhǔn)確。般來說，絕大多數(shù)液體不需要補(bǔ)償，而氣體、蒸汽、某些液體的密度會(huì)隨溫度、壓力的變化而變化，那么就要進(jìn)行補(bǔ)償了。
渦街流量計(jì)中氣體渦街流量計(jì)是比較精準(zhǔn)又經(jīng)濟(jì)的流量計(jì)，304（316L）材質(zhì)有多種安裝方式。渦街流量計(jì)是否需要溫壓補(bǔ)償，要看實(shí)際需要，如果工況偏差不大或要求不高，就不必進(jìn)行溫壓補(bǔ)償。如果需要*計(jì)量，就需要進(jìn)行補(bǔ)償。補(bǔ)償一般采用現(xiàn)場安裝壓力、溫度傳感器，將壓力、溫度、流量數(shù)據(jù)上傳至PLC進(jìn)行計(jì)算得到標(biāo)況流量。
 比如空氣流量的測(cè)量，常用的流量計(jì)都是當(dāng)前溫度壓力下的體積流量，但是空氣的體積一定時(shí)其質(zhì)量受溫度壓力影響較大，計(jì)算公式為： PV=NRT=>m=MPV/RT 理想氣體狀態(tài)方程，其中R是常數(shù)，約為8.314J/（mol·K）;P為氣體壓強(qiáng)，單位Pa;M是該物質(zhì)的摩爾質(zhì)量（或者混合氣體的平均摩爾質(zhì)量）;V為氣體體積，單位m3;T為體系溫度，單位K。 為了近似計(jì)算，溫度看成常溫20℃（293K），該氣體近似理想氣體。
空氣質(zhì)量m=29g/mol×101325Pa×1m³÷8.314J/（mol·K）÷293.15K=1205.63g=1.2kg 從公式中可以看出空氣質(zhì)量與溫度壓力關(guān)系很大，所以儀表測(cè)量時(shí)要先測(cè)量出現(xiàn)場的溫度和壓力然后進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。
還有具體測(cè)量時(shí)要看具體介質(zhì)：
1、測(cè)量氣體時(shí)，需要溫度壓力同時(shí)補(bǔ)償；氣體一般都以標(biāo)準(zhǔn)狀況體積流量結(jié)算。因?yàn)闅怏w的體積流量溫度或壓力變化時(shí)，流量都會(huì)改變。
2、測(cè)量過熱蒸汽時(shí)，需要溫度壓力同時(shí)補(bǔ)償；蒸汽一般都以質(zhì)量流量結(jié)算。因?yàn)闇囟然驂毫τ腥魏我粋€(gè)發(fā)生變化，蒸汽的密度會(huì)發(fā)生改變，質(zhì)量流量也隨之改變。
3、測(cè)量飽和蒸汽時(shí)，需要單溫度補(bǔ)償或單壓力補(bǔ)償。飽和蒸汽的密度與溫度或壓力有一個(gè)固定的對(duì)應(yīng)關(guān)系（飽和蒸汽密度表），知道其中的任何一個(gè)，都可以確定飽和蒸汽的密度。
4、測(cè)量液體時(shí)，一般不需要壓力補(bǔ)償，在5MPa以下，一般只考慮溫度影響，為準(zhǔn)確測(cè)量需要溫度補(bǔ)償。一般測(cè)量時(shí)，可以不使用任何補(bǔ)償；測(cè)量一些碳?xì)浠衔铮ㄈ缭停?，一般需要溫度壓力同時(shí)補(bǔ)償。
溫壓補(bǔ)償氣體蒸汽渦街流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)如下：
1、大優(yōu)點(diǎn)是抗振性能特別好，無零點(diǎn)漂移，可靠性高。
2、傳感器的通用性很強(qiáng)，從而使傳感器具有良好的互換性采用*數(shù)控設(shè)備加工傳感器的表體和旋渦發(fā)生體等，確保加工精度，從而使零部件（特別是旋渦發(fā)生體）的通用性強(qiáng)，從而真正做到不會(huì)因零部件的更換而影響傳感器的重復(fù)性和精度；能產(chǎn)生強(qiáng)大而穩(wěn)定的渦街信號(hào)。
3、在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，流量特性不受流體壓力、溫度、黏度、密度、成分的影響，僅是與旋渦發(fā)生體的形狀和尺寸有關(guān)。
4、輸出與流量成正比的脈沖信號(hào)或模擬信號(hào)，無零點(diǎn)漂移，精度高，方便與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)。
5、結(jié)構(gòu)簡單牢固，無可動(dòng)部件，可靠性高，使用維護(hù)方便。
6、檢測(cè)元件不與介質(zhì)接觸，性能穩(wěn)定，使用壽命長,傳感器采用檢測(cè)探頭與旋渦發(fā)生體分開安裝，而且耐高溫的壓電晶體密封在檢測(cè)探頭內(nèi)，不與被測(cè)介質(zhì)接觸，所以渦街流量計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡單、通用性好和穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。
7、測(cè)量范圍寬，量程比可達(dá)1：10。
8、測(cè)量體積流量時(shí)不需補(bǔ)償，渦街輸出的信號(hào)實(shí)際上是與流速成線性關(guān)系的，也就是與體積流量成正比。壓力和溫度補(bǔ)償?shù)哪康氖菫榱说玫搅黧w的密度，乘以體積流量就得到質(zhì)量流量，若測(cè)量氣體的體積流量就不需要補(bǔ)償