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涡街流量计作为一种基于卡门涡街原理的流体振动式流量计,因其结构简单、无可动部件、测量范围宽、精度较高及长期稳定性好等突出优点,在工业过程控制,占据了重要地位。其工作原理清晰而巧妙:在流体管道中放置一个非流线型的旋涡发生体,当流体流经该发生体时,会在其下游两侧交替地分离出两列规则排列、旋转方向相反的涡街。这些涡街的脱落频率与流体的平均流速成正比,与旋涡发生体的特征宽度成反比。因此,通过高灵敏度的传感器检测出涡街脱落的频率,即可精确计算出流体的瞬时流量和累计流量。然而,正是这种依赖于“振动”检测的机理,使得涡街流量计在拥有显著优势的同时,也先天地对管道及环境中的各种“干扰”异常敏感。
机械振动无疑是涡街流量计面临的最普遍且最具迷惑性的干扰源。工业生产现场环境复杂,大型动力设备如泵、压缩机、电机等的运转,都会产生持续的机械振动。这些振动的频率成分复杂,很有可能有一部分落在涡街流量计正常的工作频率范围内。当外部机械振动的频率与涡街信号频率相近或存在倍数关系时,仪表内置的压电传感器或电容传感器可能难以有效甄别,从而将管道振动误判为涡街信号。这种干扰的直接表现就是测量值显著高于实际值、显示值无规律地剧烈波动,甚至在管道内完全没有介质流动时,仪表仍有示值,即所谓的“无流量有示数”或“零点漂移”现象。应对机械振动干扰,需要从系统设计之初就予以考虑。最根本的措施是优化安装位置,应尽一切可能让流量计远离强振动源,并确保其前后管道拥有牢固的支架支撑,以最大程度地衰减振动传递。在仪表调试阶段,一个至关重要的步骤是进行“小信号切除”设置。操作人员应在确认阀门完全关闭、流体绝对静止的状态下,观察流量计显示的频率值,此值即为环境振动干扰的体现。随后,将小信号切除的阈值设置为略高于此干扰频率,即可有效滤除这些无效的低频振动信号,从根本上消除零点漂移。
除了外部机械振动,流体自身的状态和流动特性更是直接影响涡街流量计测量准确性的内在核心因素。其中,两相流干扰是一个极为常见且影响巨大的问题。涡街流量计作为一种体积流量计,其出厂标定是在单一相态(纯气体、纯液体)下完成的。然而,在实际应用中,尤其在测量饱和蒸汽或易气化液体时,工况往往难以保持理想。例如,在测量饱和蒸汽时,如果管道保温措施不到位,热量散失会导致一部分蒸汽凝结成微小的水滴,从而在管道内形成“气液两相流”。反之,在测量高温液体(如热水、轻质油品)时,如果流量计安装位置不当或后端压力过低,液体可能因压力下降而部分气化,形成“液气两相流”。在两相流状态下,流体的密度、体积和物理特性都变得极不稳定,严重破坏了规则涡街的生成与脱落规律,导致传感器检测到的信号混乱不堪,通常表现为示值大幅波动且严重偏低,测量结果完全失准。解决两相流问题的关键在于创造并维持单相流态。对于蒸汽测量,重中之重是做好从锅炉房到使用点全程的管道高质量保温,并在流量计上游的管道最高点等易积水处安装疏水阀,及时排除冷凝水。对于易气化的液体,则必须保证流量计下游有足够的背压,确保管道内任何一点的压力都高于该操作温度下液体的饱和蒸汽压,防止气蚀发生。
流场本身的稳定性是涡街流量计能够准确计量的另一个基本前提。卡门涡街的形成要求流体处于充分发展的湍流状态,且流速分布均匀、对称。任何对理想流场的破坏,如弯头、阀门、变径管等管件所产生的旋涡或流速分布畸变,都会直接影响涡街脱落点的稳定性和脱落频率的准确性。如果流量计安装位置过于靠近这些扰动源,上游的流场紊乱会传递到发生体处,导致产生的涡街不规则、不对称,甚至无法生成,其直接后果是测量精度下降、线性度变差,并在低流速时表现出更大的误差。这正是所有涡街流量计制造商都明确要求仪表前后必须留有足够长直管段的原因。通常,要求流量计上游有10倍以上管道直径的直管段,下游有5倍以上管道直径的直管段。这段直管的目的就是让流过扰流件的流体有足够的距离稳定下来,恢复均匀、对称的速度分布。在实际安装中,必须严格遵守这一要求,若现场空间实在受限,可以考虑在上下游直管段之间加装流量整直器,它能有效消除旋涡、矫正流速分布,从而在一定程度上缩短所需的直管段长度。此外,保证流量计与管道保持同心,也是避免产生额外扰流的重要细节。
电气干扰是工业现场所有电子设备都需要面对的共性问题,但对于输出微弱信号的涡街流量计而言,其影响尤为突出。涡街传感器产生的原始信号非常微弱,通常为毫伏级脉冲,在通过信号电缆长距离传输至显示仪表或控制系统的过程中,极易受到现场各种电磁噪声的污染。主要的电气干扰源包括大功率用电设备(如电机、变频器)启停时产生的浪涌电流、空间电磁辐射,以及信号线与动力电缆平行敷设时产生的耦合干扰。这些干扰噪声叠加在有用的涡街信号上,会使信号波形失真,增加信号处理电路的误判概率,导致测量不稳定。抵御电气干扰需要从布线、屏蔽和接地三方面着手。信号电缆必须选用屏蔽性能良好的双绞屏蔽电缆,双绞可以抵消低频干扰,屏蔽层则能有效阻挡高频电磁干扰。屏蔽层的接地必须牢固、可靠,且遵循“单端接地”原则,通常在接受端接地,避免因地电位差形成地环路引入新的干扰。在布线时,信号电缆应严格与动力电缆分开,穿不同的桥架或保持至少半米以上的安全距离,绝对禁止将二者捆绑在一起。对于变频器驱动泵等谐波干扰特别严重的场合,除了做好上述措施,还可以在变频器输出端加装输出电抗器或滤波器,从源头上减少干扰发射。
综上所述,涡街流量计的性能发挥极大地依赖于正确的应用。机械振动、两相流、流场扰动和电气干扰是其最主要的几类常见干扰源。要确保涡街流量计的测量准确和运行稳定,并非仅仅选择一个高精度的仪表那么简单,它更是一个从方案设计、安装施工到调试维护的全过程系统工程。