渦街流量計工作原理及常見故障

1 概況

    在煉油、化工等生產過程中，對管道內液體和氣體的流量進行測量和控制是實現生產過程自動化的重要組成部分。渦街流量計在蘭州石化設備維修公 司應用范圍越來越廣泛，生產中遇到的問題也越來越多，加之安裝、使用、維護人員的水平差異，使得出現的問題不能迅速解決，一定程度上影響了生產的正常進 行。在特定的流動條件下，一部分流體動能轉化為流體振動，其振動頻率與流速成正比例關系，根據這種原理工作的流量計稱為流體振動流量計。

    渦街流量計，主要用于工業管道介質流體的流量測量，如氣體、液體、蒸氣等多種介質。其特點是壓力損失小，量程范圍大，精度高，在測量工況體積流流量時幾乎不受流體密度、壓力、溫度、粘度等參數的影響。無可動機械零件，因此可靠性高，維護量小。儀表參數能長期穩定。

    2 工作原理

    渦街流量計是基于卡門渦街原理制成的一種流體振蕩性流量計，其測量原理如圖1所示。即在被測流體中插入一個非流線型的對稱形狀的物體（即漩 渦發生體），當流體流過旋渦發生體時，就會在其下游兩側交替產生向內旋轉、間隔距離規則的兩列非對稱的漩渦列即卡門渦街。其漩渦頻率正比于流體的平均流速 及發生體的迎流寬度d，有如下關系：

    f=Stυ/d   （1）

    式中：f———渦街頻率；

    d———漩渦發生體寬度；

    υ———流體的平均流速；

    St———斯特勞哈爾數；

    St的值與漩渦發生體寬度d和雷諾數Re有關。

圖1 渦街流量計測量原理

    當雷諾數Re＜2×10⁴情況下，St為變數；當Re在2×10⁴～7×10⁶的范圍內，St值基本上保持不變，這段范圍為流量計的基本測量范圍。

    式（1）表明，當d和St為定值時，漩渦產生的頻率f與流體的平均流速v成正比，而不受被測流體物理性質變化之影響。

    根據流體流動的連續性原理：

    Q=υA   （2）

    式中：Q———管道內流體的體積流量；

    A———漩渦發生體處的流通截面積；

    υ———流體的平均流速。

    將（2）式代入（1）得：

    f=QSt/Ad=KQ      （3）

    式中：K=St/Ad稱為儀表系數。

    式（3）表明，漩渦發生體每秒鐘釋放的漩渦數（即渦街頻率f）就代表流體通過管道的體積流量，且Q與f間呈線性關系。

    渦街流量傳感器采用壓電晶體元件檢測漩渦分離頻率。其漩渦釋放頻率的檢測原理是這樣的：漩渦在漩渦發生體兩側交替產生時，有一與流向垂直的 交變生力產生，它通過漩渦發生體兩側的導壓孔，利用封裝在探頭體內部的壓電晶體元件感受到這中交變應力，由于晶體的壓電效應（壓電元件在承受沿敏感軸方向 的外力作用時，壓電元件表面聚集電荷，就產生電荷。當外力去掉時，它們又重新回到不帶電的狀態），壓電晶體將產生頻率與漩渦釋放頻率相同的交變電荷信號。 從壓電晶體輸出的交變電荷信號經轉換放大器，輸出頻率與流量成比例的電壓脈沖信號，或者輸出4～20mA·DC標準信號。

    3 在實際應用中所遇問題及解決方案

    3.1 渦街流量計的管道內無液體流動，而顯示儀表有流量指示

    120萬t/a柴油加氫有一渦街流量計，2008年3月檢修時發現管道內無液體流動，而顯示儀表卻有流量指示，經檢查發現是由于靈敏度調的 太高引起的，或者電容Cf太低。因為電荷放大器是壓電式傳感器的前置放大器，它將高內阻的電荷源轉換為低內阻的電壓源，而且輸出電壓正比于輸入電荷，電荷 放大器實際上是一個具有深度電容負反饋的高增益放大器，其等效電路如圖2所示。

圖2 壓電傳感器與電荷放大器連續的等效電路

    由于放大器的輸入級采用了場效應晶體管，因此放大器的輸入阻抗極高，放大器輸入端幾乎沒有分流；電荷Q只對反饋電容Cf充電，由虛地原理可知，反饋電容Cf折合到放大器輸入端的有效電容Cf1為：

    Cf1=（1+K）Cf設放大器輸入電容為Ci，傳感器內部電容為Ca，電纜電容為Cc，則放大器的輸出電壓：U0=－KQ/Ca+Cc+Ci+（1+k）Cf。

    當（1+K）Cf＞＞Ca+Cc+Ci時，放大器的輸出電壓為U0=－Q/Cf，根據現象分析是由于Cf調的太低所致，所以有儀表顯示，如 果將Cf調高但仍然有輸出，這時可將TP3的門檻電壓提高，使電荷放大器的電壓小于TP3的門檻電壓，這時儀表顯示輸出為零，電路如圖3所示。

圖3 傳感器測試頻率點

    解決方法：解決這一問題需打開渦街流量計表蓋用螺絲刀把電路板里GB、SB調的低一些即可，調SB就是將靈敏度1/Cf調的低一些，即將電容Cf增大，實際是將圖3中的TP0進行調整，調GB就是將圖3中TP3的門檻電壓進行調整，最終使儀表恢復正常。

    3.2 變送器或傳感器始終無輸出

    烷基化管道內顆粒，污物含量有時較高，而渦街流量計的傳感器探頭與內壁只有很小的距離，這時如果有沙粒、污物堵在探頭與內壁之間，便會使探 頭不能振動，這樣探頭體內部的壓電晶體元件就不能感受到這種交變應力，那么壓電晶體表面就不會產生電荷，根據公式U0=－Q/Cf可知，電壓輸出為零。

    解決方法：用軟錘子敲打測量直管段將卡在探頭與內壁之間的沙粒振掉，這樣探頭就可以恢復振動源的作用，檢測出流體通過漩渦發生體時的頻率，從而檢測出電信號使顯示儀表恢復正常。

    3.3 變送器或傳感器輸出有較大波動

    120萬t/a柴油加氫渦街流量計在試運行中，經常出現有顯示儀表輸出有較大波動，經檢查發現是由于旁邊壓縮機強烈震動的干擾，由于受干擾 源和連接管道振動的影響，導致儀表指示有誤，使儀表無法正常測量流量，因為在實際使用，傳感器與測量儀器總有一定的距離，它們之間由長電纜連接，普通的信 號電纜是由聚乙烯或聚四氟乙烯做絕緣保護層的多股絞線組成，外部屏蔽是一個編織多股鍍銀金屬套包在絕緣的材料上。工作時電纜受到彎曲或振動時，屏蔽套絕緣 層和電纜芯線之間可能發生相對移動或者摩擦，而產生靜電荷。由于壓電傳感器是電容性的。這種靜電荷不會很快消失，而會被直接送到電荷放大器，根據前面的公 式U0=－Q/Cf，可知U0會增大，對顯示儀表的測量極為不利。