液化氣流量計(jì)的概述及特性

1、渦街流量計(jì)的概述

渦街流量計(jì)也稱為Vortex流量計(jì)。它的原理如同迎風(fēng)飄揚(yáng)的“旗幟”?？諝猓黧w）的流動(dòng)受旗桿（渦旋產(chǎn)生體）作用分別在旗幟兩邊形成兩股渦旋氣流，由于每股氣流產(chǎn)生渦旋的間隔相等和兩邊的渦旋交叉產(chǎn)生使旗幟迎風(fēng)舞動(dòng)。風(fēng)速越大，產(chǎn)生渦旋的頻率越高，使旗幟舞動(dòng)越快；風(fēng)速小，旗幟舞動(dòng)慢。渦街流量計(jì)就是利用測(cè)量旋渦產(chǎn)生的頻率或相應(yīng)的物理量來獲得被測(cè)流體的流量。

2、渦街流量計(jì)的特性

渦街流量計(jì)能按照卡爾曼渦街原理測(cè)量粘度很小的液體、氣體和蒸汽的體積流量。形成渦街的前提條件是管道中的流動(dòng)流體必須處于紊流狀態(tài)。它的主要特點(diǎn)如下。

1）測(cè)量結(jié)果與被測(cè)介質(zhì)類型無關(guān)。渦旋分離頻率與被測(cè)介質(zhì)的類型無關(guān)。1m3液體與1m3氣體或蒸汽所產(chǎn)生的測(cè)量脈沖同樣多。從而可以看出，渦街流量計(jì)是一種通用的流量測(cè)量裝置。

2）量程范圍大。該流量計(jì)可在氣體100:1、液體50:1的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)達(dá)到很高的精度。在上、下限量程處的測(cè)量具有同樣的精度。

3）測(cè)量結(jié)果與壓力、溫度、密度和粘度的變化無關(guān)。

4）具有較高的測(cè)量精度。采用計(jì)算機(jī)控制把k因子曲線（非線性曲線）存入計(jì)算機(jī)，而后根據(jù)不同的狀況調(diào)用相應(yīng)的k因子值（儀表系數(shù)）對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。在T型渦旋產(chǎn)生體中，雷諾系數(shù)與k因子關(guān)系成S形曲線，在Re〉5000時(shí)由于非線性關(guān)系會(huì)使產(chǎn)生的示值相對(duì)測(cè)量誤差高達(dá)7.5%。因此，需要對(duì)雷諾系數(shù)進(jìn)行分段線性化，即把5000〈Re〈30000范圍劃分成兩個(gè)區(qū)域5000～20000和20000～30000.這樣使示值相對(duì)測(cè)量誤差達(dá)到1%～2%。

5）價(jià)格適中。采用精密的澆鑄技術(shù)使機(jī)加工和焊接費(fèi)用下降，從而渦街流量計(jì)價(jià)格也明顯降低。

6）使用壽命長。

7）改善了小流量測(cè)量性能。把自適應(yīng)濾波器技術(shù)與小流量自動(dòng)切換技術(shù)相結(jié)合可改善小流量時(shí)的測(cè)量性能，還能抗過程噪聲的干擾。

8）維護(hù)成本低。

9）選擇多樣性：適配的管道直徑從DN15到DN300；接口形式有法蘭式、嵌入式和衛(wèi)生式；測(cè)量管道可選精密澆鑄管道或不銹鋼管道；測(cè)量管道和變送器的結(jié)構(gòu)有一體式和分體式2種；還有冗余雙測(cè)量系統(tǒng)的裝置。

液化氣流量計(jì)的工作原理

在流體中設(shè)置非流線型旋渦發(fā)生體（阻流體），則從旋渦發(fā)生體兩側(cè)交替地產(chǎn)生兩列有規(guī)則的旋渦，這種旋渦稱為卡曼渦街，如圖(一)所示。

旋渦列在旋渦發(fā)生體下游非對(duì)稱地排列。設(shè)旋渦的發(fā)生頻率為f，被測(cè)介質(zhì)來流的平均速度為V，旋渦發(fā)生體迎流面寬度為d，表體通徑為D，根據(jù)卡曼渦街原理，有如下關(guān)系式:

f=StV/d         公式(1)

式中：

f－發(fā)生體一側(cè)產(chǎn)生的卡門旋渦頻率

St－斯特羅哈爾數(shù)（無量綱數(shù)）

V－流體的平均流速

d－旋渦發(fā)生體的寬度

由此可見，通過測(cè)量卡門渦街分離頻率便可算出瞬時(shí)流量。其中,斯特羅哈爾數(shù)（St）是無因次未知數(shù)，

圖（二）表示斯特羅哈爾數(shù)（St）與雷諾數(shù)（Re）的關(guān)系。

在曲線表中St＝0.17的平直部分，漩渦的釋放頻率與流速成正比,即為渦街流量計(jì)傳感器測(cè)量范圍度。只要檢測(cè)出頻率f就可以求得管內(nèi)流體的流速，由流速V求出體積流量。所測(cè)得的脈沖數(shù)與體積量之比，稱為儀表常數(shù)（K），見式（2）

K＝N/Q（1/m3）       公式（2）

式中：K＝儀表常數(shù)（1/m3）。

N＝脈沖個(gè)數(shù) 

Q＝體積流量（m3）

液化氣流量計(jì)主要技術(shù)指標(biāo)

公稱通徑(mm)：25，40，50，65，80，100，125，150，200，250，300，(300～1000插入式)

公稱壓力(MPa)：DN25-DN200 4.0(>4.0協(xié)議供貨)，DN250-DN300 1.6(>1.6協(xié)議供貨)

介質(zhì)溫度(℃)：壓電式：-40～260，-40～320；電容式： -40～300, -40～400，-40～450（協(xié)議訂貨）

本體材料：1Cr18Ni9Ti，(其它材料協(xié)議供貨)

允許振動(dòng)加速度：壓電式:0.2g；電容式:1.0～2.0g

精確度：±1%R，±1.5%R，±1FS；插入式：±2.5%R，±2.5%FS

范圍度：1：6～1：30

供電電壓：傳感器：+12V DC，+24V DC；變送器：+12V DC ，+24V DC；電池供電型：3.6V電池

輸出信號(hào)：方波脈沖(不包括電池供電型)：高電平≥5V，低電平≤1V；電流：4～20mA

壓力損失系數(shù)：符合JB/T9249標(biāo)準(zhǔn)　Cd≤2.4

防爆標(biāo)志：本安型：ExdⅡia CT2-CT5隔爆型：ExdⅡCT2-CT5      

防護(hù)等級(jí)：普通型IP65     潛水型 IP68

環(huán)境條件：溫度-20℃～55℃，相對(duì)濕度5%～90%，大氣壓力86～106kPa

適用介質(zhì)：氣體、液體、蒸汽（蒸汽流量計(jì)）

傳輸距離：三線制脈沖輸出型：≤300m，兩線制標(biāo)準(zhǔn)電流輸出型 (4～20mA)：負(fù)載電阻≤750Ω

液化氣流量計(jì)儀表口徑的確定和安裝設(shè)計(jì)

儀表選型是儀表應(yīng)用中非常重用的工作,儀表選型的正確與否將直接影響到儀表是否能夠正常運(yùn)行.因此用戶和設(shè)計(jì)單位在選用本公司產(chǎn)品時(shí),請(qǐng)仔細(xì)閱讀本節(jié)資料,認(rèn)真核對(duì)流體的工藝參數(shù)并**可與我公司的銷售或技術(shù)支持部門聯(lián)系，以確保選型正確。

一.適用流量范圍和儀表口徑的確定

儀表口徑的選擇，根據(jù)流量范圍來確定。不同口徑渦街流量儀表的測(cè)量范圍是不一樣的。即使同一口徑流量表，用于不同介質(zhì)時(shí)，它的測(cè)量范圍也是不一樣的。實(shí)際可測(cè)的流量范圍需要通過計(jì)算確定。

（一）參比條件下空氣及水的流量范圍，見表（二），參比條件如下：

1．氣體（氣體流量計(jì)）：常溫常壓空氣，t=20℃，P=0.1MPa（絕壓），ρ=1.205 kg/m3，υ=15×10-6 m2/s。

2．液體：常溫水，t=20℃，ρ=998.2kg/m3，υ=1.006×10-6m2/s。

（二）確定流量范圍和儀表口徑的基本步驟：

1． 明確以下工作參數(shù)。

（1）被測(cè)介質(zhì)的名稱、組份

（2）工作狀態(tài)的*小、常用、*大流量

（3）介質(zhì)的*低、常用、*高壓力和溫度

（4）工作狀態(tài)下介質(zhì)的粘度

2． 渦街流量儀表測(cè)量的是介質(zhì)的工作狀態(tài)體積流量，因此應(yīng)先根據(jù)工藝參數(shù)求出介質(zhì)的工作狀態(tài)體積流量,相關(guān)公式如下：

（1）已知?dú)怏w標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)體積流量，可通過以下公式求出工況體積流量

 (2)已知?dú)怏w標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)密度ρ，可通過以下公式求出工況密度

（3）已知質(zhì)量流量Qm換算為體積流量Qv

式中：

Qv：介質(zhì)在工況狀態(tài)下的體積流量(m3/h)（Qv=3600f/K  K:儀表系數(shù) ）

Qo： 介質(zhì)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量(Nm3/h)

Qm： 質(zhì)量流量 (t/h)

ρ： 介質(zhì)在工況狀態(tài)下的密度(kg/m3)

ρo：介質(zhì)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度(kg/m3)，常用氣體介質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)密度，見表（三）

P： 工況狀態(tài)表壓(MPa)

t： 工況狀態(tài)溫度(℃)

3．儀表下限流量的確定。渦街流量儀表的上限適用流量一般可不計(jì)算，渦街流量儀表口徑的選擇主要是對(duì)流量下限的計(jì)算。下限流量的計(jì)算應(yīng)該滿足兩個(gè)條件：*小雷諾數(shù)不應(yīng)低于界限雷諾數(shù)（Re=2×104）；對(duì)于應(yīng)力式渦街流量儀表在下限流量時(shí)產(chǎn)生的旋渦強(qiáng)度應(yīng)大于傳感器旋渦強(qiáng)度的允許值（旋渦強(qiáng)度與升力ρv2  成比例關(guān)系）。這些條件可表示如下：

由密度決定的工況可測(cè)下限流量：

由運(yùn)動(dòng)粘度決定的線性下限流量：

式中：

Qρ：滿足旋渦強(qiáng)度要求的*小體積流量(m3/h)

ρ0:參比條件下介質(zhì)的密度 

Qυ:滿足*小雷諾數(shù)要求的*小線性體積流量(m3/h) 

ρ:被測(cè)介質(zhì)工況密度（kg/m3）

Q0: 參比條件下儀表的*小體積流量

(m3/h)      

υ:工作狀態(tài)下介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)粘度(m2/s)

υo:參比條件下介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)粘度(m2/s)

通過公式（6）、（7）計(jì)算出Qρ和Qν。比較Qρ和Qν，確定流量儀表可測(cè)下限流量和線性下限流量：

Qυ≥Qρ：可測(cè)流量范圍為Qρ～Qmax  , 線性流量范圍為Qυ～Qmax

Qυ<Qρ：可測(cè)流量范圍和線性流量范圍為

Qρ～Qmax  

Qmax：渦街流量儀表的上限體積流量(m3/h)

4．儀表上限流量以表(二)中的上限流量為準(zhǔn).氣體的上限流速應(yīng)該小于70m/s,液體的上限流速應(yīng)該小于7m/s

5．當(dāng)用戶測(cè)量的介質(zhì)為蒸汽時(shí)，常采用的計(jì)量單位是質(zhì)量流量，即：t/h或Kg/h。由于蒸汽（過熱蒸汽和飽和蒸汽）在不同溫度和壓力下的密度是不同的，因此蒸汽流量范圍的確定可由公式(8)進(jìn)行計(jì)算得出

式中：

ρ： 蒸汽的密度（kg/m3） 

ρ0：1.205kg/m3 

Q蒸汽 ：蒸汽質(zhì)量流量（t/h）

6．計(jì)算壓力損失，檢測(cè)壓力損失對(duì)工藝管線是否有影響，公式(單位：Pa)：

△p= CdρV2/2   公式（9）

式中：

ρ：工況介質(zhì)密度（kg/m3）V:平均流速（m/s）

7．被測(cè)介質(zhì)為液體時(shí),為防止氣化和氣蝕,應(yīng)使管道壓力符合以下要求: 

p≥2.7△p+1.3p0       公式（10）

式中： 

△p: 壓力損失（Pa）

p0：工作溫度下液體的飽和蒸汽壓（Pa絕壓）

Po:流體的蒸汽壓力  (Pa絕壓)

8．渦街流量計(jì)不適合測(cè)量高粘度液體。當(dāng)計(jì)算出的可測(cè)流量下限不滿足設(shè)計(jì)工藝要求時(shí)，應(yīng)該考慮選用其它類型流量計(jì)。

9．通過計(jì)算如果有兩種口徑都可滿足要求，為了提高測(cè)量效果、降低造價(jià)，應(yīng)選用口徑較小的表。應(yīng)該注意的是，盡可能使常用量處在流量范圍上限的1/2～2/3

△p:壓力損失（Pa）  Cd：壓力損失系數(shù)

表(二)　　參比條件下渦街流量傳感器工況流量范圍表

表(三)　常用氣體介質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)密度（0℃，絕壓P=0.1MPa）

 (三)選型舉例：

例一：已知?dú)怏w壓力和溫度及標(biāo)況下的流量時(shí)

某壓縮空氣，標(biāo)況流量范圍為QN=1200-12000Nm3/h,壓力P=0.7Mpa(表壓)，溫度t=30℃。試確定流量計(jì)口徑。

步驟一：計(jì)算壓縮空氣的工況體積流量

由公式(3):

工況使用下限體積流量為:

Qvmin=QN×0.101325×(273.15+t)/293.15/（P +0.1）

=1200×0.101325×(273.15+30)/293.15/（0.7 +0.1）

=157(m3/h) 

工況使用流量上限為: Qvmax=1570(m3/h)

步驟二：根據(jù)使用工況流量范圍157-1570m3/h，查表（二），滿足下限流量條件的流量計(jì)為DN80 、DN100和DN125，考慮到上限流量1270m3/h及使用效果和經(jīng)濟(jì)成本，初選DN100, DN100流量計(jì)的工況流量范圍是100-1700m3/h，接近使用流量范圍，初選DN100流量計(jì)，但應(yīng)具體核算DN100流量計(jì)在該工況條件下的可測(cè)下限流量。核算DN100流量計(jì)在該工況條件下的可測(cè)下限流量：

由公式(4)及公式(6):

即，流量計(jì)在該工況條件下的可測(cè)下限流量是37.46m3/h，遠(yuǎn)小于要求的工況下限流量157m3/h，確定選用DN100流量計(jì)。

例二：已知蒸汽壓力和溫度及工況流量時(shí)測(cè)量介質(zhì)為過熱蒸汽，蒸汽溫度為320℃，壓力為1.5MPa（絕壓）,流量范圍為3t/h～25t/h, 試  確定流量計(jì)口徑。

步驟一：計(jì)算蒸汽的等效空氣參比條件下的體積流量范圍，經(jīng)查附表(二),該狀態(tài)下蒸汽的密度為:5.665Kg/m3,由公式(8) :

步驟二：根據(jù)等效參比流量范圍765-6379m3/h，查表（二），比較適合該流量范圍為DN200口徑。