液化氣流量計的概述及特性

1、渦街流量計的概述

渦街流量計也稱(chēng)為Vortex流量計。它的原理如同迎風(fēng)飄揚的“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。渦街流量計就是利用測量旋渦產(chǎn)生的頻率或相應的物理量來(lái)獲得被測流體的流量。

2、渦街流量計的特性

渦街流量計能按照卡爾曼渦街原理測量粘度很小的液體、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）測量結果與被測介質(zhì)類(lèi)型無(wú)關(guān)。渦旋分離頻率與被測介質(zhì)的類(lèi)型無(wú)關(guān)。1m3液體與1m3氣體或蒸汽所產(chǎn)生的測量脈沖同樣多。從而可以看出，渦街流量計是一種通用的流量測量裝置。

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

3）測量結果與壓力、溫度、密度和粘度的變化無(wú)關(guān)。

4）具有較高的測量精度。采用計算機控制把k因子曲線(xiàn)（非線(xiàn)性曲線(xiàn)）存入計算機，而后根據不同的狀況調用相應的k因子值（儀表系數）對測量結果進(jìn)行自動(dòng)補償。在T型渦旋產(chǎn)生體中，雷諾系數與k因子關(guān)系成S形曲線(xiàn)，在Re〉5000時(shí)由于非線(xiàn)性關(guān)系會(huì )使產(chǎn)生的示值相對測量誤差高達7.5%。因此，需要對雷諾系數進(jìn)行分段線(xiàn)性化，即把5000〈Re〈30000范圍劃分成兩個(gè)區域5000～20000和20000～30000.這樣使示值相對測量誤差達到1%～2%。

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

6）使用壽命長(cháng)。

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

8）維護成本低。

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、嵌入式和衛生式；測量管道可選精密澆鑄管道或不銹鋼管道；測量管道和變送器的結構有一體式和分體式2種；還有冗余雙測量系統的裝置。

液化氣流量計的工作原理

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

旋渦列在旋渦發(fā)生體下游非對稱(chēng)地排列。設旋渦的發(fā)生頻率為f，被測介質(zhì)來(lái)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)生體一側產(chǎn)生的卡門(mén)旋渦頻率

St－斯特羅哈爾數（無(wú)量綱數）

V－流體的平均流速

d－旋渦發(fā)生體的寬度

由此可見(jiàn)，通過(guò)測量卡門(mén)渦街分離頻率便可算出瞬時(shí)流量。其中,斯特羅哈爾數（St）是無(wú)因次未知數，

圖（二）表示斯特羅哈爾數（St）與雷諾數（Re）的關(guān)系。

在曲線(xiàn)表中St＝0.17的平直部分，漩渦的釋放頻率與流速成正比,即為渦街流量計傳感器測量范圍度。只要檢測出頻率f就可以求得管內流體的流速，由流速V求出體積流量。所測得的脈沖數與體積量之比，稱(chēng)為儀表常數（K），見(jiàn)式（2）

K＝N/Q（1/m3）       公式（2）

式中：K＝儀表常數（1/m3）。

N＝脈沖個(gè)數 

Q＝體積流量（m3）

液化氣流量計主要技術(shù)指標

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

公稱(chēng)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：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：符合JB/T9249標準　Cd≤2.4

防爆標志：本安型：ExdⅡia CT2-CT5隔爆型：ExdⅡCT2-CT5      

防護等級：普通型IP65     潛水型 IP68

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

適用介質(zhì)：氣體、液體、蒸汽（蒸汽流量計）

傳輸距離：三線(xiàn)制脈沖輸出型：≤300m，兩線(xiàn)制標準電流輸出型 (4～20mA)：負載電阻≤750Ω

液化氣流量計儀表口徑的確定和安裝設計

儀表選型是儀表應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行.因此用戶(hù)和設計單位在選用本公司產(chǎn)品時(shí),請仔細閱讀本節資料,認真核對流體的工藝參數并**可與我公司的銷(xiāo)售或技術(shù)支持部門(mén)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，根據流量范圍來(lái)確定。不同口徑渦街流量?jì)x表的測量范圍是不一樣的。即使同一口徑流量表，用于不同介質(zhì)時(shí)，它的測量范圍也是不一樣的。實(shí)際可測的流量范圍需要通過(guò)計算確定。

（一）參比條件下空氣及水的流量范圍，見(jiàn)表（二），參比條件如下：

1．氣體（氣體流量計）：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。

（1）被測介質(zhì)的名稱(chēng)、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?jì)x表測量的是介質(zhì)的工作狀態(tài)體積流量，因此應先根據工藝參數求出介質(zhì)的工作狀態(tài)體積流量,相關(guān)公式如下：

（1）已知氣體標準狀態(tài)體積流量，可通過(guò)以下公式求出工況體積流量

 (2)已知氣體標準狀態(tài)密度ρ，可通過(guò)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 ）

Qo： 介質(zhì)在標準狀態(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)在標準狀態(tài)下的密度(kg/m3)，常用氣體介質(zhì)的標準狀態(tài)密度，見(jiàn)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?jì)x表的上限適用流量一般可不計算，渦街流量?jì)x表口徑的選擇主要是對流量下限的計算。下限流量的計算應該滿(mǎn)足兩個(gè)條件：*小雷諾數不應低于界限雷諾數（Re=2×104）；對于應力式渦街流量?jì)x表在下限流量時(shí)產(chǎn)生的旋渦強度應大于傳感器旋渦強度的允許值（旋渦強度與升力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下限流量：

由運動(dòng)粘度決定的線(xiàn)性下限流量：

式中：

Qρ：滿(mǎn)足旋渦強度要求的*小體積流量(m3/h)

ρ0:參比條件下介質(zhì)的密度 

Qυ:滿(mǎn)足*小雷諾數要求的*小線(xiàn)性體積流量(m3/h) 

ρ:被測介質(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)的運動(dòng)粘度(m2/s)

υo:參比條件下介質(zhì)的運動(dòng)粘度(m2/s)

通過(guò)公式（6）、（7）計算出Qρ和Qν。比較Qρ和Qν，確定流量?jì)x表可測下限流量和線(xiàn)性下限流量：

Qυ≥Qρ：可測流量范圍為Qρ～Qmax  , 線(xiàn)性流量范圍為Qυ～Qmax

Qυ<Qρ：可測流量范圍和線(xiàn)性流量范圍為

Qρ～Qmax  

Qmax：渦街流量?jì)x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.氣體的上限流速應該小于70m/s,液體的上限流速應該小于7m/s

5．當用戶(hù)測量的介質(zhì)為蒸汽時(shí)，常采用的計量單位是質(zhì)量流量，即：t/h或Kg/h。由于蒸汽（過(guò)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．計算壓力損失，檢測壓力損失對工藝管線(xiàn)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．被測介質(zhì)為液體時(shí),為防止氣化和氣蝕,應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．渦街流量計不適合測量高粘度液體。當計算出的可測流量下限不滿(mǎn)足設計工藝要求時(shí)，應該考慮選用其它類(lèi)型流量計。

9．通過(guò)計算如果有兩種口徑都可滿(mǎn)足要求，為了提高測量效果、降低造價(jià)，應選用口徑較小的表。應該注意的是，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

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)的標準狀態(tài)密度（0℃，絕壓P=0.1MPa）

 (三)選型舉例：

例一：已知氣體壓力和溫度及標況下的流量時(shí)

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

步驟一：計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：根據使用工況流量范圍157-1570m3/h，查表（二），滿(mǎn)足下限流量條件的流量計為DN80 、DN100和DN125，考慮到上限流量1270m3/h及使用效果和經(jīng)濟成本，初選DN100, DN100流量計的工況流量范圍是100-1700m3/h，接近使用流量范圍，初選DN100流量計，但應具體核算DN100流量計在該工況條件下的可測下限流量。核算DN100流量計在該工況條件下的可測下限流量：

由公式(4)及公式(6):

即，流量計在該工況條件下的可測下限流量是37.46m3/h，遠小于要求的工況下限流量157m3/h，確定選用DN100流量計。

例二：已知蒸汽壓力和溫度及工況流量時(shí)測量介質(zhì)為過(guò)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  確定流量計口徑。

步驟一：計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。