摘 要:近年來,渦街流量計被廣泛地應(yīng)用于石油、化工、輕工、冶金和電力企業(yè)中,用于測量液體、氣體、蒸汽、低溫和各種腐蝕性介質(zhì)。有很多的資料對渦街流量計的誤差進(jìn)行分析,但很少有涉及到溫度對其準(zhǔn)確度的影響。通過對渦街流量計的結(jié)構(gòu)和原理介紹,經(jīng)過分析,推導(dǎo)出了渦街流量計儀表系數(shù)受溫度的影響,及其實際溫度下的修正公式。
流量計出廠校驗及其檢定工作是在實驗室參考條件下進(jìn)行的,但一般來說現(xiàn)場使用條件都與實驗室的參考條件有很大的偏離,這些工作條件的偏離到底會帶來大多的附加誤差至今在標(biāo)準(zhǔn)及生產(chǎn)廠家資料中尚不明確。本文結(jié)合渦街流量計的實際應(yīng)用情況,為了使檢定和計量工作更科學(xué),就溫度對渦街流量計儀表系數(shù)的影響進(jìn)行探討。
1 渦街流量計工作原理
在流體中設(shè)置漩渦發(fā)生體(阻流體),從漩渦發(fā)生體兩側(cè)交替產(chǎn)生有規(guī)則的漩渦,這種漩渦成為卡曼渦街,如圖1所示。
漩渦列在漩渦發(fā)生體下游非對稱地排列。設(shè)漩渦的發(fā)生頻率為f,則被測介質(zhì)流的平均速度為U,漩渦發(fā)生體迎面寬度為d,表體通徑為D。根據(jù)卡曼渦街原理,有如下關(guān)系式:
f=SrU1/d=SrU/md?????????? ?(1)
式中:U1———漩渦發(fā)生體兩側(cè)平均流速,m/s;
Sr———斯特勞哈爾數(shù);
m———漩渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積與管道橫截
式中:K———流量計的儀表系數(shù),脈沖數(shù)/m 3。
K除了與漩渦發(fā)生體、管道的幾何尺寸有關(guān)外,還與斯特勞哈爾數(shù)有關(guān)。圖2所示為圓柱狀漩渦發(fā)生體的斯特勞哈爾數(shù)與管道雷諾數(shù)的關(guān)系。
由圖2可見,在ReD= 2× 104～ 7× 106范圍內(nèi),Sr可視為常數(shù),這也是儀表正常工作的范圍。
由以上推理可見,渦街流量計輸出的脈沖頻率信號不受流體物性和組分變化的影響,即儀表系數(shù)在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)僅與漩渦發(fā)生體及管道的形狀尺寸等有關(guān)。
2 結(jié)構(gòu)
渦街流量計由傳感器和轉(zhuǎn)換器兩部分組成,傳感器包括漩渦發(fā)生體、檢測元件、儀表表體等;轉(zhuǎn)換器包括前置放大器、濾波整形電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、輸出接口電路、端子、支架和防護(hù)罩等。近年來智能式流量計還把微處理器、顯示通訊及其他功能模塊也裝在轉(zhuǎn)換器內(nèi)。
漩渦發(fā)生體是檢測器的主要部件,它與儀表的流量特性密切相關(guān),本文主要討論溫度的變化對它尺寸的影響。當(dāng)然生產(chǎn)廠家為了避免由渦街發(fā)生體帶入的誤差,對渦街發(fā)生體提出了很高的要求,如:能產(chǎn)生強烈的渦街,信號的信噪比高;形狀和結(jié)構(gòu)簡單,便于加工和提高其尺寸的精度,以及各種檢測元件的安裝和組合;材質(zhì)應(yīng)滿足流體性質(zhì)的要求,耐腐蝕,耐磨蝕,耐溫度變化等。當(dāng)然其他的部件如檢測元件、D/A轉(zhuǎn)換電路等也會影響渦街流量計的精度,但這種影響可以在軟件中補償或者是目前的技術(shù)局限。有關(guān)此方面的論文很多,在此不再贅述。本文著重討論的是有溫度的變化影響漩渦發(fā)生體尺寸的變化和表體內(nèi)徑的變化,以及由此帶來的誤差。
3 誤差分析
由(7)式可知,這是K在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的表達(dá)式,在工作條件下,由于溫度發(fā)生了變化,由此引起K的表達(dá)式的變化。
將(7)是變形得:
如果對(9)式求D和d的偏導(dǎo)數(shù)得到的數(shù)學(xué)表達(dá)式是相當(dāng)復(fù)雜的,這里復(fù)雜的原因是由于m的表達(dá)式過于復(fù)雜。在求m的表達(dá)式時,用了精確的計算方法,如圖3所示。將漩渦發(fā)生體看作是兩個扇形(扇形OEF和扇形OHG)和兩個三角形(△EOH和△FOG)的面積之和。
為了簡化計算,在這里做個近似:把漩渦發(fā)生體看作是個矩形ABCD,由圖知道寬為d,長為D,所以漩渦發(fā)生體的面積:S體=d·D??????? (11)
由于把漩渦發(fā)生體看作為是個矩形(寬為d,長為D),其面積比實際要大,m則比事件要小,所以要對m進(jìn)行修正,經(jīng)查閱有關(guān)資料,發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的資料都把4π修正為1.25,代入(12)式,得到:
可見,當(dāng)使用溫度和檢定溫度相差較大時,溫度對儀表系數(shù)的影響是比較明顯的,應(yīng)該加以考慮。
4 結(jié)束語
渦街流量計目前在國內(nèi)應(yīng)用越來越廣泛,但其使用介質(zhì)的溫度差別很大,如有的測量原油,有的測量蒸汽以及過熱蒸汽等,有的使用在低溫環(huán)境,有的使用在高溫環(huán)境,如果在應(yīng)用過程中忽略的溫度對儀表系數(shù)的影響,會產(chǎn)生很大的計量誤差,在實際工作中不應(yīng)該忽略這個因素影響,在使用中應(yīng)該使用以上推導(dǎo)公式進(jìn)行修正。
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