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涡街流量计在应用时具有哪些优势?在性能方面有哪些局限性?

在一定的雷诺数范围内,输出信号频率不受流体物理性质和组份变化的影响,仪表系数仅与旋涡发生体的形状和尺寸有关,测量流体体积流量时无需补偿,调换配件后一般无需重新标定仪表系数。

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涡街流量计在工业流量测量领域应用广泛,其优势和局限性如下:

优势

  1. 结构简单,无活动部件,可靠性高: 测量主体内没有可动部件(除了可能的压电晶体传感器),磨损小,机械故障率低,使用寿命长,维护量相对较少。
  2. 适用介质范围广:
    • 可测量液体、气体和蒸汽。
    • 适用于单相流(纯净、均质)。
    • 可测量较高温度和压力的介质(具体取决于传感器材料和结构)。
  3. 测量精度相对较高: 对于标准范围内的流量测量,精度通常在±1%左右(液体)至±1.5%-±2.5%(气体/蒸汽)。校准后精度可更高。
  4. 测量范围宽(量程比宽): 量程比通常可达 10:1 或更高(一些高性能型号可达 30:1),意味着同一块表能测量从较小流量到较大流量的范围。
  5. 输出信号稳定,与流量线性关系好: 输出脉冲频率信号(或由其转换成的标准电流信号)与体积流量成线性关系,信号处理相对简单。
  6. 压力损失相对较小: 由于内部结构简单,产生的永久压力损失比节流装置(如孔板)要小,有助于降低系统能耗。
  7. 直接输出数字信号: 输出的原始信号是脉冲频率(代表漩涡脱落频率),抗干扰能力强,且易于数字处理。
  8. 安装相对方便(相比需要引压管的差压式): 通常只需要在管道上开孔焊接或法兰连接即可,不需要复杂的引压管线和三阀组(指差压流量计配套的冷凝、排污等阀门组),安装维护工作量小。一体式结构居多。
  9. 成本相对适中: 初始购买成本和长期维护成本通常介于孔板等简单仪表和高精度仪表(如质量流量计)之间,性价比较好。
  10. 可测量蒸汽流量: 这是其非常重要的应用领域之一,能较好地测量饱和蒸汽和过热蒸汽。

性能方面的局限性

  1. 对小流量测量不敏感(低流量下限限制):
    • 低流速下,漩涡产生不稳定或信号太弱,难以被可靠检测。
    • 流量低于某个下限值时,仪表无法准确测量或停止测量。量程比虽宽,但起点受限制。
  2. 对介质粘度变化敏感:
    • 介质粘度过高时,漩涡形成困难或被抑制,测量精度下降甚至无法测量。通常适用于粘度较低的流体(如<10cP)。
    • 粘度变化会影响斯特劳哈尔数(St)的稳定性,从而影响测量精度,可能需要进行粘度补偿。
  3. 对管道振动敏感:
    • 外部或流体本身的管道振动会产生额外的、与流量无关的应力作用在漩涡发生体或传感器上,产生干扰信号,导致测量误差甚至虚假读数。
    • 需要选择抗振型设计、优化安装位置、增加支撑或使用振动滤波器(部分变送器内置)。
  4. 对直管段要求较高:
    • 为了获得稳定、对称的流速分布(确保卡门涡街稳定形成),涡街流量计需要足够的上下游直管段。通常要求上游10D(管道直径),下游5D。在某些工况(如阀门、弯头后)可能需要更长的直管段(20D甚至更长),否则精度会下降。
  5. 漩涡脱落频率测量精度受限于传感器带宽:
    • 在极高流速下,漩涡脱落频率可能非常高(kHz级别),要求传感器有足够高的响应频率和采样能力,否则会丢失信号,限制量程上限。
  6. 信号对流体流态敏感:
    • 要求流动为充分发展的湍流状态。层流状态下漩涡难以形成或不稳定。
  7. 不适合测量脉动流: 流速脉动会干扰漩涡的形成和脱落,导致测量误差。
  8. 不适合测量脏污介质/含固体颗粒介质:
    • 脏污、杂质或气泡可能堆积在漩涡发生体上或划伤边缘,改变其几何形状,影响St常数,导致永久性误差。
    • 也可能冲刷传感器或影响检测。
  9. 漩涡发生体导致压力损失: 虽然比孔板小,但仍会在管道中形成一定的永久压力降。
  10. 高温上限限制: 传感器的耐温能力(尤其是内置电子元件的传感器)限制了其在极高温流体中的应用(通常<350°C,特种设计可达450°C甚至更高)。
  11. 初始精度依赖于标定: 出厂标定的精度对于高精度应用非常重要,现场难以校验(通常需要离线标定)。

总结

涡街流量计是一种可靠性高、适用性广、性价比好的流量仪表,尤其在中高流速、粘度不高、洁净单相流体(包括蒸汽) 的测量中优势明显。然而,其对小流量、高粘度介质、振动环境、脏污介质和流体流态稳定性(需要足够直管段)等方面的性能局限性,需要在选型和应用时特别注意。在振动大的场合和直管段不足时,表现往往不尽如人意。选择时需要仔细评估应用条件和限制是否匹配。

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