[摘要]文章(zhang)介紹差動開關(guān)電容式渦街流(liú)量計 的結構原(yuán)理及其在蒸汽(qi)計量中的實際(jì)應用，并對安♊裝(zhuang)❌使用過程中較(jiào)容易.疏忽的一(yī)些問題進行分(fen)析。
　　随着能源短(duǎn)缺時代的到來(lai)以及人們環保(bao)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(zhǎn)。熱能變成一種(zhong)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(dé)越來越重要。
　　熱(rè)力公司面向廣(guang)州經濟技術開(kai)發區、高新區、出(chu)口加工區和保(bao)稅區的集中供(gòng)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(néng)力達✔️300t/h,蒸汽管網(wang)總長約50kmn,蒸汽用(yòng)戶目前以區内(nèi)的50多家工廠企(qi)業爲主。工業用(yong)戶的特☂️點是:(1)各(ge)用戶的蒸汽用(yòng)量相差很大，小(xiǎo)的不足1t/h,大的📐高(gāo)達50t/h,相應的蒸⚽汽(qì)流量計口徑大(dà)小從DN10~DN300mm;(2)連續生産(chǎn)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(liang)變化量大，視生(shēng)産時段而定。因(yīn)此，對蒸汽計量(liang)儀表選型的基(ji)本要求是:穩定(dìng)可靠、量程比寬(kuān)、精度.高、維護工(gōng)作量少。近幾年(nian)來，我們采用以(yǐ)差動開關電容(róng)式渦街流量計(jì)爲基礎的蒸💜汽(qi)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(rong)式渦街流量計(jì)
1.1基本工作原理(lǐ)
　　渦街流量計 是(shi)基于“卡門渦街(jie)”原理實現流量(liang)測量的儀表。
　　在(zai)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(shu)Re範圍内，其下遊(you)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(liú).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(dang)渦列寬度h與同(tong)列✨相鄰兩旋👄渦(wo)的間距L之比滿(man)足h/L=0.281時，這樣的渦(wō)街陣列幾何結(jié)構才穩定，稱♊爲(wei)卡門渦街。産📧生(shēng)旋渦分離的阻(zǔ)力部.件稱爲旋(xuán)渦發生體見圖(tu)1)。當旋渦發生體(ti)爲三角柱體時(shí)，其旋渦分離頻(pin)率f(單位:Hz)和管道(dao)内平均流速v旋(xuan)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(fàn)圍内，st爲常數🎯;ʋ1爲(wei)🐅發生體兩側流(liú)體的平均流速(sù)，m/sD爲管道内徑，m;d/D爲(wèi)柱寬比，即旋渦(wō)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(guǎn)道中平均瞬時(shí)流量qv[m3/h]與管徑D和(hé)平均流速v關系(xì)爲:
 
　　實驗表明，當(dang)雷諾數Re≥20000時,斯特(te)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(gěi)定形式的具體(tǐ)儀表，其幾何尺(chǐ)寸D、d和相互關系(xì)等已确定，故儀(yi)表系數K值🌐也确(què)定，與流體⛹🏻‍♀️物性(xìng)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(bi)例❓關系:
qv=ƒ/K(5)
　　由此可(kě)見，隻要正确檢(jiǎn)測旋渦頻率便(bian)可得知體積流(liu)✏️量🐅，這就是渦街(jiē)流量計的檢測(ce)基礎和基本工(gong)作原理。而如何(he)正确檢測旋渦(wō)頻率則成爲決(jue)定渦街流量計(ji)整體性能的關(guan)鍵，各種渦街流(liú)量計的明顯區(qū)别也在👣于采用(yong)的檢測技術元(yuán)件)不同，如從早(zǎo)期熱敏電阻元(yuán)件的熱敏式渦(wō)街流量計，後來(lai)市場較🏃多的壓(ya)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(wō)街流量計等等(deng)。
1.2結構原理
　　差動(dòng)開關電容式渦(wo)街流量計(以下(xia)簡稱電容式渦(wō)街)采用差動開(kai)關電容傳感器(qì)(以下簡稱DSC傳感(gan)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(lǐ)過程如圖2。
 
　　DSC傳感(gan)器爲外置懸臂(bi)式結構(圖3)，獨立(li)于.儀表旋渦發(fā)生體但又徑向(xiàng)插入發生體的(de)中心孔中，并與(yǔ)兩側導壓🔞孔連(lian)通，以📞檢測⭐卡門(mén)旋渦壓力的變(biàn)化。它實質是一(yī)個電容式機-電(diàn)轉🧡換器。
 
　　外觀爲(wèi)圓簡形且下端(duān)密封而管壁又(you)很薄的振動舌(she)作💞爲♊電容器的(de)公共電極，其内(nèi)部有兩個附于(yu)同---支座下端但(dàn)又相互絕緣❓的(de)弧狀形電極。這(zhè)兩個電極與公(gōng).共電極振動舌(shé)内壁之間保留(liú)有充滿空氣的(de)微小間隙，構成(cheng)兩個電容器，電(dian)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(bian)或位移時就會(hui)使兩個電容失(shī)去平衡，産生差(cha)㊙️動電容。
　　當旋渦(wo)産生時在兩側(cè)形成微小壓差(chà)，旋渦壓力使振(zhen)動舌發生左右(yòu)撓性振動，由于(yu)内部兩個電極(ji)及其支座仍固(gu)定🏒不動，從而一(yī)個電容間隙增(zeng)大(電容量變小(xiǎo))，同時另一電容(róng)間隙減小(電容(róng)量變大)，反之亦(yi)然，也即導緻兩(liang)電容的大小因(yin)距離相對變化(huà)而發生周期性(xing)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(suǒ)檢測到的唯一(yī)信号。差動信号(hào)呈正弦波形式(shì)，經前置放大器(qì)處理後以PEM(脈沖(chòng)頻率調劑)脈沖(chòng)信号形👉式輸出(chū)。
2.3性能特點
　　當管(guan)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(fāng)向上産生形變(biàn)，由于振動舌與(yu)💯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(yú)外部振動的響(xiǎng)應是同步的，即(ji)形變量相-緻，兩(liǎng)個電容間隙沒(méi)有相對變化，故(gu)不産🈲生差動信(xìn)号，因此能夠消(xiao)除任何方向、頻(pín)率≤500Hz加速度☀️≤1g的強(qiáng)機械振動的影(ying)響。
　　應用現代工(gōng)程材料與方法(fǎ)，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(néng)夠承受得住高(gao)達100℃/s的熱🈲沖擊。振(zhèn)動㊙️舌的管壁很(hěn)薄，因此靈敏度(du)很高，即流速下(xia)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(bú)鏽鋼，機械結構(gòu)堅固，可以耐高(gao)流速旋渦✊的壓(ya)力作用，所以流(liú)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(bǐ)很.寬(最高可達(da)40:1)。
2溫度壓力補償(chang)與測量系統
　　渦(wo)街流量計 是一(yi)種速度式流量(liang)計，其直接檢測(ce)結果是給出操(cāo)㊙️作狀态下的體(tǐ)積流量，在其測(ce)量範圍内，這種(zhong)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(zhèng)确的，不需要任(rèn)何溫度、壓力補(bu)☂️償。但工程上測(cè)量蒸汽流量時(shi)習慣上以🔞質量(liàng)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(yao)引入蒸汽密度(dù)Q(p,T)參數進行折算(suàn):
 
　　而蒸汽密度Q是(shì)直接受到蒸汽(qi)工作狀态如溫(wēn)度T、壓✂️力p等⭐影💋響(xiang)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(qí)💯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(jiā)誤差。因此在體(tǐ)積流量檢測的(de)同時還要進行(hang)溫度壓力的檢(jian)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(jiǎn)測結果即質量(liàng)👣流量的正确率(lü)，而這些補償運(yùn)🐕算工作均在流(liu)量積算儀🎯中自(zì)動完成。所以，應(yīng)用渦街流量計(ji)測量蒸汽流量(liang)時，溫度壓力補(bǔ)償是很有⭐必要(yao)的。
　　在本測量系(xì)統中，蒸汽的體(ti)積流量qv壓力p和(hé)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(wèi)PFM脈沖、4~20mADC和電阻值(zhi)信号，并同時輸(shū)入現場的智能(neng)流量積算儀進(jin)行運算和顯示(shi)，其讀數即爲補(bǔ)償後的蒸汽♻️質(zhi)量流量qm。
　　此外，由(you)于蒸汽用戶分(fèn)散并且距離較(jiào)遠，給管理帶✏️來(lai)了諸👉多不便，爲(wei)此我們利用流(liu)量積算儀的通(tōng)訊功能(RS485)和專網(wang)無線傳輸技術(shù)，與上位計算機(ji)(智能終端)構成(cheng)網絡，将💋各測量(liang)點的計量數據(ju)實時傳輸到熱(rè)力公司的主機(ji)中進行監控👈與(yu)儲存，可在主機(ji)中🐅随時查詢任(ren)♉何一個用戶點(dian)的流量、壓力、溫(wēn)度等參數和掉(diao)電情況，從而實(shi)現了遠傳監控(kong)管理，也成爲企(qǐ)業信息📞化建設(shè)的一部分。
　　綜上(shàng)所述，每個測量(liàng)點的系統構成(cheng)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(lì)子。
3.1大流量、長管(guǎn)線
　　某公司分别(bie)采用電容式渦(wo)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(yuán)點末端，有時蒸(zhēng)汽處于過熱與(yǔ)飽和的💋臨界狀(zhuang)态，但運行一直(zhí)很正常。
　　另一用(yong)戶麥芽公司的(de)管線長約3km,在設(she)計階段，由于🐕對(duì)蒸汽用💰量估算(suan)不足，僅采用DN200電(diàn)容式渦街，但實(shi)際使用♍時，其✍️蒸(zheng)汽用量🛀🏻大大🍉超(chao)出原設計用量(liang)，正常30t/h左右，有時(shí)甚至達到40t/h以上(shàng)。過大的流量，造(zào)成管線中的蒸(zhēng)汽流速🍉極高(現(xian)場常可聽到🌈管(guǎn)道中的銳嘯聲(sheng)),這對該電容式(shì)渦街的性能🍉提(ti)出較高的要求(qiu)，但使用🌐以來，一(yī)直運行良好。
3.2大(da)管道、小流量
　　根(gen)據長遠的用汽(qi)規劃，鋪設DN250蒸汽(qì)管道并選用DN200電(diàn)容式✔️渦街，雖然(ran)🏃🏻目前建廠初期(qi)蒸汽用量僅5~10t/h,相(xiàng)對于DN200電容式渦(wō)街❓而言流量偏(pian)小，卻仍然落入(rù)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(jie)運行情況，熱力(li)公司在同一管(guan)道的供汽端🤞加(jiā)裝了--台應力式(shì)渦街流量計采(cǎi)用壓電晶體傳(chuán)感器)作爲比🎯較(jiào)，但由于小流量(liàng)丢失、穩定性✨差(chà)等原因，其讀數(shù)誤差達5%~30%，顯然，這(zhè)種數據已失❌去(qu)參考價值;後來(lái)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(zheng)汽管道尺寸較(jiao)小的蒸汽用戶(hù)均存在蒸汽用(yòng)量變化大的特(tè)點，因爲這些用(yong)戶主要集中在(zài)加🙇‍♀️熱攪㊙️拌、烘烤(kǎo)及👨‍❤️‍👨酒店💃、生活區(qu)等行業，如慧達(dá)化工、秉信紙業(ye)、捷普生活區、新(xīn)港碼頭等單位(wei)，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(fàn)、洗❄️澡時用量多(duō),其餘時間用♊量(liang)少)差異非常大(dà)，如果安✏️裝傳統(tong)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(gong)作時，其用汽量(liang)可達到3t/h,當處于(yu)用汽低峰時，其(qi)用汽量🤞不足0.1t/h,所(suǒ)以要求流量計(ji)‼️具有非常寬的(de)量程比，否則将(jiāng)會造成小流量(liàng)的丢失，但從現(xiàn)場安裝的DN80電容(róng)式渦街運行情(qíng)況看，幾乎不存(cun)在什麽小流量(liang)丢失的🏒問題♍，因(yīn)而避免了供汽(qi)用汽雙🤟方因計(jì)量不準而引起(qǐ)的糾紛。
3.4管道機(ji)械振動
　　現場蒸(zhēng)汽管道總是存(cún)在一些振動現(xian)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(miǎn)，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(jǐn)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(yuán)來使用DN25應力式(shi)渦街，結果常常(chang)能根據現場突(tu)變的檢測信号(hào)(反映爲瞬時流(liu)量讀數急增)而(er)準确預測到大(dà)型車輛正在經(jing)過，這說📐明其很(hen)容易受振動幹(gan)擾;後者安裝DN80電(diàn)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(que)🔅沒有什麽變化(huà)，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(sī)安裝了DN80電容式(shì)渦街流量計,其(qí)蒸汽流量5t/h左右(yòu)。由㊙️于是間隙性(xìng)使用，一天之内(nei)需要頻繁多次(ci)停汽、用汽，這顯(xiǎn)然會🌈對渦街形(xing)成頻繁沖擊，由(yóu)🙇🏻此所引🤞起的幹(gan)擾也會增多，因(yin)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(lì)。從現場觀察和(hé)計量數據分析(xī)看♻️，該電容式渦(wo)街完全能适應(ying)這一工況，儀表(biao)運行一直正常(chang)。
4注意事項
　　渦街(jiē)應用效果是産(chan)品性能、選型、安(ān)裝的綜合反映(yìng)🔱。現就📱應用中容(rong)易疏忽的幾個(gè)問題作一分析(xi)，以引🌈起注👉意和(he)重視。
(1)在設計選(xuǎn)型階段，必須依(yī)據蒸汽的實際(jì)工藝參數選擇(ze)合适的渦街口(kou)徑大小，而管道(dào)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(yu)量,蒸😄汽管道尺(chǐ)寸普遍偏大，如(ru)果按🧑🏽‍🤝‍🧑🏻原管道🙇‍♀️選(xuan)擇渦街口徑，經(jing)常會造成精度(dù)下降(小流量丢(diū)失)甚至不能計(ji)✊量的後果;而根(gen)據參數選✌️出的(de)渦街口徑常常(cháng)有小🔴--檔的情況(kuàng)，這時安裝渦街(jie)需要一段同心(xīn)縮管。
(2)安裝時必(bi)須嚴格依據施(shi)工規範。例如，前(qián)後直管段長度(dù)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(qián)後直管道中心(xīn)線同軸，密封墊(niàn)不能伸入管道(dao)中，這樣可以💋防(fang)止因部分流通(tōng)面積被蓋住、流(liú)速分布發生畸(jī)變、流場受✍️幹擾(rao)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(xin)裝工☀️藝管道，在(zài)吹掃🏃時必須先(xiān)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(wen)措施必須到位(wèi)。例如㊙️，儀表體處(chu)的保溫隔熱層(céng)的高度不能高(gāo)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(zhǐ)熱幅射，無保溫(wen)部分(上半部)可(ke)防止熱量傳遞(dì)到表頭;水平管(guǎn)道時，表頭應盡(jìn)可能水平放置(zhi)👉，以便盡量降低(di)熱空氣對前置(zhi)放大器電子元(yuán)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(wo)街流量計，它對(dui)于測量是否成(chéng)功起到決定性(xing)作用。幾年的應(ying)用實踐表明㊙️，這(zhe)種電容式渦街(jiē)工作穩定可靠(kào)，抗❓振動幹擾強(qiang)，不存在應力式(shi)渦街流量計那(nà)種對振動的敏(mǐn)感🔴性，其測量數(shu)據是可信的、是(shi)公正的，也沒有(you)應力式.渦街常(cháng)因雷擊而損壞(huai)的這類問題;結(jié)構💞堅固,沒有可(kě)動部件，不存在(zai)磨損和堵塞問(wen)題，無需維護，使(shǐ)用⛹🏻‍♀️成本低;靈敏(mǐn)度高，量程比寬(kuan)，減少了小流量(liàng)丢失;儀表精度(dù)高可達0.5%),且長期(qī)運行幾乎不會(huì)改變,而精度的(de)提高對于蒸汽(qì)計量有着明顯(xian)的經濟🔱價值。它(ta)的成功應用，爲(wèi)解💃決熱力公司(si)高溫蒸汽正💋确(que)計量這個難;題(tí)提供一個非常(chang)有效的途徑。

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