[摘要]文章介紹(shào)差動開關電容式(shì)渦街流量計 的結(jie)構原理及其在蒸(zhēng)汽計量中的實際(jì)應用，并對安裝使(shǐ)🛀用過程中較容易(yì).疏忽的一些問題(ti)進行分析。
　　随着能(néng)源短缺時代的到(dao)來以及人們環保(bǎo)意識的㊙️不斷提高(gāo)和對安全生産的(de)高度重視，集中供(gong)熱事業得☎️到快✊速(sù)發展。熱能變😘成一(yi)種商品，供汽和收(shōu)費⭕自然成⭐爲熱力(li)公司的根本，蒸♈汽(qi)計量顯得越來越(yue)📧重要。
　　熱力公司面(mian)向廣州經濟技術(shù)開發區、高新區、出(chū)口加工區和保稅(shuì)區的集中供熱企(qǐ)業，熱源有廣州恒(héng)運集團熱電(A、B、C、D)廠的(de)二次蒸汽和熱力(lì)公司自建的3台蒸(zheng)汽鍋爐，供汽☔能力(li)達300t/h,蒸汽管網總長(zhang)約50kmn,蒸汽用戶目前(qian)以區内的50多家🏃‍♂️工(gong)廠企業爲主。工業(yè)用戶的特點是:(1)各(ge)用戶的蒸汽用量(liàng)🚶相差很大，小的不(bu)足1t/h,大的高達50t/h,相應(ying)的蒸🔴汽流量計口(kou)徑大小從DN10~DN300mm;(2)連續生(sheng)産連續用汽，尤其(qi)是一-些大用戶，若(ruo)意外停汽将會造(zào)成重大的經濟損(sǔn)失，(3)流🐉量變化量大(dà)，視生産💘時段而定(dìng)。因此，對蒸汽計量(liang)儀表♈選型的基本(ben)要求是:穩定可靠(kào)、量程比寬、精度.高(gao)、維護工作量少。近(jin)幾✍️年來，我們☀️采用(yong)以差動開關電容(róng)式渦街流量計爲(wèi)基礎的蒸汽流量(liang)測量系統，取得明(ming)顯的效果和經濟(ji)效益。
1差動開關電(diàn)容式渦街流量計(jì)
1.1基本工作原理
　　渦(wō)街流量計 是基于(yú)“卡門渦街”原理實(shi)現流量測量的儀(yí)表。
　　在流體的管路(lù)中設置非流線型(xing)柱狀阻力部件，在(zai)某一雷諾數Re範圍(wéi)内，其下遊兩側将(jiang)産生旋渦分離現(xiàn)象☎️，形成兩排交替(ti)☔出現的旋渦列并(bìng)依次向下遊流.去(qu)，連續不斷❄️，好象--條(tiao)由旋渦組成的街(jiē)道，形象地✊稱爲鍋(guo)街”。當渦列寬度h與(yǔ)同列相鄰兩旋渦(wō)的間距L之比滿足(zú)h/L=0.281時，這樣的渦街陣(zhèn)列幾何結⭐構才穩(wen)定，稱爲卡門渦街(jie)。産生旋渦分離的(de)阻力部.件稱爲☔旋(xuan)渦👄發生體見圖1)。當(dang)旋渦發生體爲三(sān)角柱體時，其旋渦(wo)分離頻率f(單位:Hz)和(he)管🔆道内平均流速(sù)v旋渦發生體迎流(liú)面寬度d之間關系(xì)爲:
f=St.ʋ1/d=St.ʋ/[(1-1.25d/D).d](1)
　　式中:St爲斯特勞(lao)哈爾數無量綱)，在(zài)一定Re範圍内，st爲常(cháng)🔴數✏️;ʋ1爲發生體兩側(ce)流體的平均流速(su)，m/sD爲管道内徑，m;d/D爲柱(zhu)寬比，即旋渦發生(sheng)🔴體寬💃🏻度與管徑之(zhī)比值;v爲旋渦發生(shēng)體前平均流速,m/s。
 
　　因(yīn)管道中平均瞬時(shí)流量qv[m3/h]與管徑D和平(píng)均流速v關系爲:
 
　　實(shí)驗表明，當雷諾數(shu)Re≥20000時,斯特勞哈爾數(shù)st基本爲恒定值，如(rú)三角柱♋發生體st=0.16,另(lìng)一方面,對于給定(dìng)形式的具體儀表(biǎo)，其幾何尺寸D、d和相(xiang)互關系等已确定(ding)，故儀表系數K值🤟也(yě)确定，與流體物性(xing)和組分無關。所以(yi)操作狀态體積流(liu)量qv與旋渦頻率ƒ成(chéng)線性比例關系:
qv=ƒ/K(5)
　　由(yóu)此可見，隻要正确(què)檢測旋渦頻率便(bian)可得知體積流量(liàng)，這就是渦街流量(liang)計的檢測基礎和(hé)基本工作原理。而(er)如何正确檢測旋(xuan)🌂渦頻率則成爲決(jue)定渦街流量計整(zhěng)體性能的關鍵，各(ge)種渦街流量計的(de)明顯⭐區别也在于(yú)采用的檢測技術(shù)元件)不同，如從早(zǎo)期✨熱敏電阻元🚩件(jian)的熱敏式渦街流(liu)量計🌈，後來市場較(jiào)多的壓電晶體元(yuán)件的應力式渦街(jie)流量計，到近期發(fā)展起來的差動開(kāi)關電✉️容式渦街流(liú)量計等等。
1.2結構原(yuán)理
　　差動開關電容(róng)式渦街流量計(以(yi)下簡稱電容式渦(wō)街)采用差動開關(guān)電容傳感器(以下(xià)簡稱DSC傳感器)檢測(ce)卡門渦街産生的(de)旋渦頻率信号。整(zhěng)個信号檢測㊙️處理(li)過程如圖2。
 
　　DSC傳感器爲外置(zhi)懸臂式結構(圖3)，獨(du)立于.儀表旋渦發(fa)生體但又徑向插(cha)入發生體的中心(xīn)孔中，并與兩側🈲導(dǎo)壓孔連通，以檢測(ce)🧡卡門旋渦壓力的(de)變化。它實質是一(yī)個電容式💯機-電轉(zhuǎn)換器。
 
　　外觀爲圓簡(jian)形且下端密封而(er)管壁又很薄的振(zhen)動舌㊙️作爲㊙️電容器(qi)的公共電極，其内(nei)部有兩個附于同(tong)---支座🌈下端但又🈲相(xiang)互絕緣的弧狀形(xíng)電極。這兩個電🌈極(ji)與公❄️.共電極振動(dòng)舌内壁之間保留(liú)有充滿空氣的微(wei)小間隙，構成兩個(gè)電容器，電介質爲(wei)空氣，其電容的大(dà)小與電極和振動(dong)舌内壁之間的距(jù)離成反比。當振動(dòng)舌發生形變或位(wei)移時就會使兩個(ge)電容失去平衡，産(chan)生差♊動電容。
　　當旋(xuan)渦産生時在兩側(ce)形成微小壓差，旋(xuán)渦壓力使❓振動舌(she)發生左右撓性振(zhen)動，由于内部兩個(ge)電極及🚶其支⭕座仍(réng)💰固定不動，從而👄一(yī)個電容間隙增大(dà)(電容量變小)，同時(shi)另一電容💛間隙減(jian)小(電容量變大)，反(fan)之亦然，也即導緻(zhi)兩電💜容的大小因(yin)距離相對變化而(ér)🔴發生周期性的變(bian)化，産生了差動信(xìn)号。這也是差動開(kāi)關電容檢測㊙️電路(lù)所檢測到的唯一(yī)信号。差♊動信♻️号呈(chéng)正弦波形式，經前(qian)置放大器處理後(hòu)以PEM(脈沖頻🔞率調劑(jì))脈沖信号形式輸(shu)出。
2.3性能特點
　　當管(guan)道發生振動時，振(zhen)動的慣性力同時(shí)作用在振動舌和(he)🈲電極上，使它們在(zài)同方向上産生形(xíng)變，由于振動舌與(yǔ)兩個電極及支座(zuò)的振動特性和幾(jǐ)何結🔞構相匹配，它(ta)們對于外部振動(dòng)的響應是同步的(de)，即形變量相-緻，兩(liang)個電容間隙沒有(yǒu)相對變化，故不産(chǎn)生差動信号，因此(ci)能夠消💯除任何方(fāng)向💃🏻、頻率≤500Hz加速度💋≤1g的(de)強機械振🈲動的影(yǐng)響。
　　應用現代工程(chéng)材料與方法，使其(qí)工作溫度範圍擴(kuo)展至-200℃~+400C,而且不存在(zài)破裂、老化等問題(ti)，能夠承受得住🤟高(gao)達100℃/s的熱沖擊。振動(dòng)舌的管壁很薄，因(yin)此靈敏度很🧡高，即(ji)流📞速下限可以很(hěn)低(介質爲水時，流(liú)速爲0.2m/s);又因爲振動(dòng)舌爲圓簡形不鏽(xiù)鋼，機械結構堅固(gù)，可以耐高流速旋(xuán)渦的壓力作用，所(suo)以流速上限較高(gao)(介質爲水時，流速(sù)爲🔅9m/s.介質爲蒸汽和(hé)氣體時，流速爲75m/s)。由(yóu)于兼顧了流速的(de)兩個極端，因此量(liang)程比很.寬(最高可(ke)達❗40:1)。
2溫度壓力補償(chang)與測量系統
　　渦街(jie)流量計 是一種速(sù)度式流量計，其直(zhí)接檢測結果是給(gěi)出操作狀态下💁的(de)體積流量，在其測(ce)量範圍内，這種體(ti)積流量不受流體(tǐ)溫度🌏、壓力👅、密度、粘(zhān)度、成分等性質變(bian)💁化所影⛷️響，因而✊是(shi)正确的，不需要任(ren)何溫度、壓力補償(chang)。但工程♋上測量蒸(zhēng)汽流量時習慣上(shang)以🌂質量流量qm，單位(wei)用kg/h或t/h表💜示，所以上(shang)述體積流量qv需要(yao)引入蒸汽密度Q(p,T)參(can)數進行👅折算:
 
　　而蒸(zhēng)汽密度Q是直接受(shou)到蒸汽工作狀态(tài)如溫度T、壓㊙️力p等‼️影(ying)響🔱的⛱️，例如溫度爲(wei)190℃的蒸汽，當壓力由(yóu)1.IMPa上升到1.2MPa時，其密度(du)約增大了10%,可見，蒸(zhēng)汽性質變化或操(cao)作條件波動時會(huì)産生一定的附加(jiā)誤差。因此在體積(ji)流量檢測的同時(shí)還要進行溫度壓(ya)力的檢測，也即通(tong)過T、p對Q進行實時補(bu)償以消除系統的(de)附加誤差，保證最(zui)終需要的🤟檢🌈測結(jié)果即質量流量的(de)正确率，而這些補(bu)償運🏃算工作均在(zai)流量積算儀中自(zì)動完成。所😄以，應用(yong)渦街流量計💜測量(liang)蒸汽流量時🤩，溫度(du)壓力補🈲償是很有(yǒu)💋必要的。
　　在本測量(liang)系統中，蒸汽的體(tǐ)積流量qv壓力p和溫(wēn)度T分别通過電容(rong)式渦街流量計、壓(ya)力變送器和熱電(dian)阻(P1100)的檢🔞測而轉換(huàn)爲PFM脈沖、4~20mADC和電阻值(zhi)信号，并同時輸入(rù)現場的智能流量(liàng)積算儀進行運算(suàn)和顯示，其讀數即(jí)爲補償後的蒸汽(qi)質量流量qm。
　　此外，由(yóu)于蒸汽用戶分散(sàn)并且距離較遠，給(gěi)管理帶來了😘諸多(duo)不便，爲此我們利(li)用流量積算儀的(de)通訊功能㊙️(RS485)和專網(wǎng)無線傳輸技術，與(yǔ)上位計算機(智能(néng)終端)構成網絡，将(jiāng)各測量✏️點的計量(liang)數據⚽實時傳輸到(dào)熱力公司的主機(jī)中進行監控❄️與儲(chu)存，可在主機中♉随(suí)時查詢任何一個(ge)用戶點的流量、壓(yā)🍓力、溫度等參✨數和(he)掉電情況🛀🏻，從而實(shí)現了遠傳監控管(guǎn)理，也㊙️成爲企業信(xìn)息化建設的一部(bù)☎️分。
　　綜上所述，每個(ge)測量點的系統構(gou)成如圖4。
 
3應用實例(li)
　　在50多個測量點中(zhōng)，下面是幾種典型(xíng)的應用例子。
3.1大流(liu)量、長管線
　　某公司(si)分别采用電容式(shi)渦街DN200、DN250,蒸汽流量在(zai)20~30t/h之間，蒸汽管🧑🏾‍🤝‍🧑🏼線長(zhǎng)約5km,位于熱源點末(mò)端，有時蒸汽處于(yú)過熱與飽和的💜臨(lin)界狀态，但運行一(yi)直很正常。
　　另一用(yòng)戶麥芽公司的管(guan)線長約3km,在設計階(jiē)段，由于🏃🏻‍♂️對💋蒸汽用(yòng)量估算不足，僅采(cai)用DN200電容式渦街，但(dàn)實際使用時，其蒸(zhēng)汽用量大大🥰超出(chū)原設計用量，正常(chang)30t/h左右，有時甚至達(da)到40t/h以上💋。過大的⚽流(liu)量，造成管線中的(de)蒸汽流速極高(現(xiàn)場常可聽到💘管道(dào)中的銳嘯聲),這對(duì)該電容式渦街的(de)性能提出較高的(de)要求，但使用以來(lái)，一直運行😍良好。
3.2大(dà)管道、小流量
　　根據(ju)長遠的用汽規劃(hua)，鋪設DN250蒸汽管道并(bìng)選用DN200電容式渦街(jiē)，雖然目前建廠初(chu)期蒸汽用量僅5~10t/h,相(xiàng)對于DN200電容式渦街(jie)而言流量偏小，卻(que)仍然落入其測量(liang)範圍之内，故理論(lun).上能準确計量。爲(wèi)便于了🔞解該渦街(jiē)運行情況，熱✔️力公(gong)司在同一管道的(de)供汽端💚加裝了--台(tái)應力式渦街流量(liàng)計采用壓電晶體(ti)傳感器)作爲比較(jiào)，但由于小流量丢(diū)失、穩定性差等原(yuan)因，其讀數誤差達(da)5%~30%，顯然，這種數據已(yǐ)失去參考價值;後(hòu)來換裝成電容式(shi)渦街，結果兩台電(dian)容式渦街的測量(liang)數據基本保持一(yi)緻。
3.3流量變化大
　　大(dà)多蒸汽管道尺寸(cùn)較小的蒸汽用戶(hu)均存在蒸汽用量(liang)變🐪化大的特點，因(yīn)爲這些用戶主要(yào)集中在加熱攪拌(ban)、烘🛀烤及酒店⭐、生活(huo)區等行業，如慧達(dá)化工、秉💚信紙業、捷(jie)普生活區、新港碼(mǎ)頭♍等單位，蒸汽用(yòng)量因🧡不同季節(如(rú)冬天多，夏天少)和(he)🌏不同時段(如做飯(fàn)、洗澡時用量多,其(qí)餘時間用量少)差(cha)異非常大，如果安(ān)🐇裝傳統孔闆流量(liàng)計，需要2~3套進行切(qie)換，而渦街1套便可(kě)滿足要求。以秉💛信(xin)紙業公司爲例，在(zài)滿負荷工作✨時㊙️，其(qi)用汽量可達到✔️3t/h,當(dang)處于用汽低峰時(shí)，其用汽量不足0.1t/h,所(suǒ)以要求流量計具(ju)有非常寬的量程(chéng)比，否則将會造成(cheng)小流量的丢失，但(dàn)從現場安裝的DN80電(dian)容式渦街運行情(qíng)況看，幾乎不存在(zài)什麽小流量丢失(shi)的問題，因而避免(miǎn)了供汽用汽雙方(fāng)因計量不準而引(yin)‼️起的糾紛。
3.4管道機(ji)械振動
　　現場蒸汽(qì)管道總是存在一(yi)些振動現象，由于(yú)機器🏃‍♀️設🌈備☁️運轉❗或(huo)車輛行駛等引起(qi)的管道機械振動(dong)更🈚是難以避免，最(zuì)典型的就😘是力嘉(jiā)公司和綠箭香口(kou)膠公司兩家蒸汽(qì)用戶，它們的廠區(qu)緊靠馬路，蒸汽支(zhi)管線都不可避免(miǎn)要經過交通主幹(gan)道。前者原來使用(yòng)DN25應力式渦街，結果(guǒ)常常能根據現場(chang)突變的檢🌈測信号(hào)(反映爲瞬時流量(liàng)讀數💜急增)而準确(què)預測到大型車輛(liàng)正在經🌈過，這說明(míng)其很容🆚易受振動(dong)幹擾;後者安裝DN80電(dian)容式渦街流量計(jì)，其在同樣有大型(xing)車輛經過時🔞，其顯(xian)示值卻沒有什麽(me)變化，這證明其抗(kang)振動幹擾性能良(liáng)好。
3.5間隙性用汽
　　本(ben)田汽車公司安裝(zhuang)了DN80電容式渦街流(liu)量計,其蒸汽流量(liang)5t/h左🌂右。由于是間隙(xi)性使用，一天之内(nei)需要頻繁多次停(ting)汽、用汽，這顯然會(hui)對渦街形成頻繁(fán)沖擊，由此所引起(qǐ)的幹擾也會增多(duō)，因此要求所用渦(wo)街具💃🏻有較高的抗(kang)流速沖🌈擊、抗熱沖(chòng)擊和抗振動幹擾(rǎo)的能力。從現場觀(guan)察和計量數據分(fèn)析看，該電容式渦(wō)👣街完全能适應這(zhè)一工況，儀表運行(hang)一直正常。
4注意事(shì)項
　　渦街應用效果(guo)是産品性能、選型(xing)、安裝的綜合反映(yìng)🈲。現就應用中容易(yì)疏忽的幾個問題(ti)作一分析，以引🈲起(qi)注意和重視。
(1)在設(shè)計選型階段，必須(xū)依據蒸汽的實際(ji)工藝參數選擇合(he)适的😄渦街口徑大(dà)小，而管道尺寸僅(jǐn)作爲參考。經驗表(biǎo)明，管路設計時💯往(wang)往留有很大的餘(yu)量,蒸汽管道尺寸(cun)普遍偏大，如果按(an)原管道選擇渦街(jie)口徑，經常會造成(cheng)精度下降(小流量(liàng)丢失)甚至不能計(jì)量的後果;而根據(ju)參數選出的渦街(jiē)口徑常常有小--檔(dàng)的情況，這時安裝(zhuang)渦街需要一段同(tóng)心縮管💋。
(2)安裝時必(bi)須嚴格依據施工(gōng)規範。例如，前後直(zhí)管段長💰度必㊙️須滿(man)♌足渦街流量計的(de)技術要求，渦街儀(yí)表體中心線與前(qian)後直管道中心線(xiàn)同軸，密封墊不能(neng)伸入管道中，這樣(yàng)可以防止因部分(fèn)流通面積被蓋👨‍❤️‍👨住(zhù)、流速分♍布發生畸(ji)變、流場受幹擾而(er)引起測量誤🐕差;蒸(zheng)汽管道測量段保(bǎo)證沒有冷凝水;對(duì)于新裝工藝管道(dao)，在吹掃時必須先(xiān)把渦街拆下，吹掃(sao)幹👨‍❤️‍👨淨後方可裝回(hui)。
(3)電氣接線必須規(guī)範,現場的防水、防(fáng)高溫措施必須到(dào)👉位💋。例如，儀表體處(chu)的保溫隔熱層的(de)高度不能高于表(biao)頭支🌈架的🧡一半，這(zhe)樣支架中有保溫(wen)部分(下半部)可阻(zu)止熱幅射，無保🥵溫(wen)部分(上半部🔴)可防(fáng)止熱量傳遞到表(biao)頭;水平管道時，表(biao)頭應盡可能水平(píng)放置，以便盡量降(jiàng)低熱空氣對前置(zhì)放大器電子元件(jian)的影響。
5結束語
　　本(ben)測量系統的核心(xin)是差動開關電容(róng)式渦街流量計，它(ta)對于測量是否成(cheng)功起到決定性作(zuò)用。幾年的應用實(shí)踐表明，這種電容(rong)式渦街工作穩定(dìng)可靠，抗振動幹擾(rao)強，不♻️存在應力式(shì)渦街流量計那種(zhong)對振動的敏感性(xing)，其測量數據是可(ke)信的、是公🏃正的，也(yě)沒有應力式.渦街(jiē)常因雷擊而損壞(huài)的這類問題;結構(gòu)⭐堅固,沒有可動部(bu)件，不存在磨損和(hé)堵塞問題，無需😘維(wéi)護，使用成本低;靈(líng)敏度高，量程比寬(kuan)，減少了小流量㊙️丢(diū)失;儀表精度高可(ke)達0.5%),且長期運行♋幾(ji)乎不會改變,而精(jing)度🎯的提高對于蒸(zhēng)汽計量有着明顯(xian)的經濟價值。它的(de)成功應用，爲解🏃‍♂️決(jué)熱力公司高溫蒸(zheng)汽正确計量這個(ge)難;題提供一個非(fei)常有效的途徑。

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