法蘭連接型蒸汽流量計(jì)
LUGB系列渦街流量計(jì)主要用于工業(yè)管道介質(zhì)流體的流量測量,如氣體、液體、蒸氣等多種介質(zhì)。其特點(diǎn)是壓力損失小,量程范圍大,精度高,在測量工況體積流量時幾乎不受流體密度、壓力、溫度、粘度等參數(shù)的影響;無可動機(jī)械零件,因此可靠性高,維護(hù)量??;儀表參數(shù)能長期穩(wěn)定。渦街流量計(jì)采用壓電應(yīng)力式傳感器,可靠性高,可在-20℃~+350℃的工作溫度范圍內(nèi)工作,有模擬標(biāo)準(zhǔn)信號,也有數(shù)字脈沖信號輸出,容易與計(jì)算機(jī)等數(shù)字系統(tǒng)配套使用,是一種比較*、理想的流量儀表。
工作原理:
渦街流量計(jì)是基于卡門渦街原理,通過探頭檢測出漩渦分離頻率計(jì)算出流量并在信號變送器中轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖或電流信號輸出。
主要特點(diǎn):
?精度較高,液體測量精度為±1.0%;氣體測量精度為±1.5%
?壓損小,約為孔板流量計(jì)的1/4,屬于節(jié)能流量儀表
?安裝方式靈活,可水平,垂直和不同角度傾斜安裝
?采用消擾電路和抗震動傳感頭,具有一定抗壞境震動性能
?無可動部件,儀表壽命長
技術(shù)參數(shù):
儀表型號 | HLLU-N | HLLU-A | HLLU-B | HLLU- C | HLLU- D1/D2 |
信號輸出 | 脈沖 | 4-20mA | 無 | 4-20mA | 可選4-20mA或脈沖 |
供電電源 | 24VDC±15% | 24VDC±15% | 鋰電池 | 24VDC±15% | 24VDC±15%和鋰電池 |
通訊接口 | 無 | 無 | 無 | 可選RS485 | 可選RS485 |
精度等級 | 液體:1.0級 氣體:1.0級 蒸汽:1.5級 | 液體:1.0級 氣體:1.0級 蒸汽:1.5級 | 液體:1.0級 氣體:1.0級 蒸汽:1.5級 |
顯示器 | 無 | 有 | 有 |
儀表材質(zhì) | 304SS | 304SS | 304SS |
防爆等級 | 可選ExiaIICT5或ExdIIBT6 | 可選ExiaIICT5或ExdIIBT6 | 可選ExiaIICT5或ExdIIBT6 |
防護(hù)等級 | IP65 | IP65 | IP65 |
整機(jī)功耗 | <1W | <1W | <1W |
儀表通經(jīng) | DN15~DN300 | DN15~DN300 | DN15~DN300 |
安裝方式 | 法蘭夾持或一體化法蘭連接 | 法蘭夾持或一體化法蘭連接 | 法蘭夾持或一體化法蘭連接 |
耐壓等級 | 可選1.6MPa或2.5MPa | 可選1.6MPa或2.5MPa | 可選1.6MPa或2.5MPa |
介質(zhì)溫度 | -40℃~250℃、-40℃~350℃ | -40℃~250℃、-40℃~350℃ | -40℃~250℃、-40℃~350℃ |
環(huán)境溫度 | -20℃~60℃ | -20℃~60℃ | -20℃~60℃ |
流量范圍:
儀表口徑(mm) | 液體流量范圍(m3/h) | 氣體流量范圍(m3/h) |
15 | 0.4~4 | 3~12 |
20 | 0.8~8 | 6~30 |
25 | 1.~12 | 9~55 |
32 | 2.0~20 | 12~120 |
40 | 3.0~30 | 20~200 |
50 | 5.0~50 | 30~300 |
65 | 8.0~80 | 50~500 |
80 | 12~120 | 80~800 |
100 | 20~200 | 120~1200 |
125 | 30~300 | 200~2000 |
150 | 40~400 | 300~3000 |
200 | 75~750 | 500~5000 |
250 | 110~1100 | 800~8000 |
300 | 160~1600 | 1100~ |
(300) | 160~1500 | 1560~ |
(400) | 180~3000 | 2750~ |
(500) | 300~4500 | 4300~ |
(600) | 450~6500 | 6100~ |
(800) | 750~10000 | 11000~ |
(1000) | 1200~17000 | 17000~ |
>(1000) | 協(xié)議 | 協(xié)議 |
注:表中(300)—(1000)口徑為插入式。
渦街流量計(jì)在蒸汽計(jì)量中的特性研究:
為持續(xù)強(qiáng)化蒸汽計(jì)量能力,在20世紀(jì)60年代,日本橫河電機(jī)株式會社與美國Eastech公司合作,共同研發(fā)了一種渦街流量計(jì),它的耐高溫性能好,壓損不大,這種流量計(jì)廣泛應(yīng)用于高溫條件下蒸汽流量的計(jì)量過程。因?yàn)榱黧w流量和其輸出的頻率信號存在正相關(guān)性,同時頻率信號在流體組分、密度、壓力、溫度改變情況下仍能保持一定穩(wěn)定性;另外,此儀器的量程較大;均為不可動部件,穩(wěn)定性大大增強(qiáng);結(jié)構(gòu)相對簡單,安裝維護(hù)難度小,維護(hù)成本低。基于以上優(yōu)點(diǎn),該頻率信號被普遍使用在計(jì)量與工業(yè)過程的控制過程中。
到上世紀(jì)80年代,該流量計(jì)得以廣泛采用,但缺點(diǎn)是對于蒸汽介質(zhì)上的測試仍是空白,只可進(jìn)行渦街流量計(jì)的構(gòu)造方式、DSP、流量量程、管道材質(zhì)等方面加以升級,增強(qiáng)了渦街流量計(jì)的在液體與空氣中的測量準(zhǔn)度。由于在蒸汽介質(zhì)方面的探索上存在盲區(qū),在流量精度測量上長期以來備受業(yè)內(nèi)人士的質(zhì)疑。渦街流量計(jì)雖然技術(shù)上有了改進(jìn),但有待進(jìn)一步改良,不管是在理論還是應(yīng)用層面上均有諸多工作要做。近些年,世界范圍內(nèi)的業(yè)內(nèi)人士對于渦街流量計(jì)實(shí)施了多次探索,研究成果值得肯定。
1 蒸汽介質(zhì)的影響因素
所謂渦街流量計(jì)(亦稱旋渦流量計(jì)),其工作機(jī)理是“卡門渦街”,是一類流體振蕩式的測量儀器?!翱ㄩT渦街”的原理是:待測管道流體中放進(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),蒸汽對渦街流量計(jì)計(jì)量特性存在較大影響??煽偨Y(jié)為三個方面:
**,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)。
**,雷諾數(shù)對斯特勞哈爾數(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,由于可壓縮性的區(qū)別或許會引發(fā)儀表系數(shù)產(chǎn)生誤差。以上三個因素對于渦街流量計(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,檢測時,蒸汽和空氣因?yàn)檎扯鹊膮^(qū)別,會引發(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)動力粘度;
v 表征介質(zhì)運(yùn)動粘度。
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,真實(shí)測量過程中的差異性誤差。尤其在蒸汽的測量時,儀表量程的選型是參照在空氣介質(zhì)下測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**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),檢定過程中并不會由于介質(zhì)的不同造成較大的誤差,這個影響可不考慮。但雷諾數(shù)不可超出規(guī)定區(qū)間,否則會引發(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,荷蘭杰出物理學(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,這就是杰出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,在測量實(shí)際氣體時,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)行測量時,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。而氣體的可壓縮性與等嫡指數(shù)是其內(nèi)在機(jī)理,這和我們的理論研究結(jié)果相互印證。