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渦街氣體流量計在瓦斯抽放管路流量測定中的應用淺析
閱讀：2030 發布時間：2011-9-13渦街氣體流量計在瓦斯抽放管路流量測定中的應用淺析
目前煤礦測定瓦斯抽放流量的常用儀器是孔板流量計，由于孔板流量計是基于節流原理，用U型壓差計測定孔板兩端的壓差，根據相關公式計算瓦斯流量，因此該方法存在其固有的缺陷，即：①局部減小了抽放管道的過流斷面面積，增加了系統阻力， 影響抽放效率；②測定誤差較大，由于煤礦現場條件所限，以及抽放系統的波動，使其測出壓差較為困難；③不能直接讀數。
流量是一個動態量，處于運動狀態的液體內部不僅存在著粘性摩擦作用，還會產生不穩定的旋渦和二次流等復雜流動現象。測量儀表本身受到眾多因素的影響，如：管道、口徑大小、形狀（圓形、矩形）、邊界條件、流體的流動狀態（紊流狀態、流速分布等）以及安裝條件與水平等。目前用于煤礦測定瓦斯抽放管道流量的儀器有孔板流量計、文丘里管流量計、皮托管、風速表、熱球式風速計等，其中只有孔板流量計應用，其他方法因測量誤差比較大，實際使用的比較少。孔板流量計雖然測量精度高、但由于其采用的原理是節流原理，人為減小了抽放管道的直徑，從而大大地增加阻力而影響抽放效果。
渦街氣體流量儀是根據卡門渦街原理直接測量氣體流量，它采用便攜式結構，可直接顯示測定結果，可進行多點測量，無阻力損失，使用方便，體積小、重量輕：傳感器采用插入結構可防止生銹及意外損壞，有利于保護儀器安全，儀器測量精度高。如何根據流量、流態、安裝要求與環境條件、經濟性等因素合理選型，是應用好儀表的前提和基礎。除了儀表自身質量要得到保證，工藝數據的提供和儀表的安裝、使用、維護是否合理也相當重要。
1 渦街流量計的測量原理
渦街流量計作為一種新型流量計，20世紀80年代中期以來發展較快，它在流量測量方面有著諸多的優點和長處，在現代流量測量中應用越來越廣泛。在國內使用渦街流量計進行流量測量也愈來愈得到重視，目前我國已有性能優良并有自主知識產權的產品系列。
渦街流量計的原理是在流量計管道中，設置一滯流件，當流體流經滯流件時，由于滯流件表面的滯流作用等原因，在其下游會產生兩列不對稱的旋渦，這些旋渦在滯流件的側后方分開，形成所謂的卡門（Karman）旋渦列，兩列旋渦的旋轉方向是相反的， 卡門從理論上證明了當h/L=0.281（h為兩旋渦列之間的寬度，L為兩個相臨旋渦間的距離）時，旋渦列是穩定的，在此情況下，產生旋渦的頻率f與流量計管道中流體流速υ的關系為：
式中 d———圓柱形滯流件的直徑；
υ———流體的流速，m/s；
s———無量綱常數，稱為Stroual數，與流體流動狀態的雷諾數Re有關。
流量計圓截面管道的雷諾數Re為：
式中 ρ———流體的密度，kg/m3；
μ———流體的動力粘度，（kg/m）/s；
其他符號意義同上。而流體的流量為：
式中 Q———管道流體的流量，m3/s；
A———管道斷面積，m2。
從上式可見，渦街流量計選型設計完畢，流量Q不僅與f有關，而且與雷諾數Re也有關。雷諾數Re是表征粘性流體流動特性的一個無量綱數，其物理意義是流體流動的慣性力與粘滯力的比值。旋渦發生所產生的旋渦頻率需由感測器來測定，感測器獲得的信號經放大、濾波整形等處理后得到代表渦街頻率的脈沖信號，供單片機進行處理和顯示。感測器分流體振蕩感測和壓力變化感測兩大類。流體振蕩感測屬于接觸式，控測元件易受流體污染，但抗干擾能力強；壓力變化感測屬于非接觸式，探測元件不易受流體污染，但易受振動等因素的干擾。流體的流動狀態對渦街流量計的使用也有一定的影響。如果環境參數對流體流動狀態有影響也會影響到渦街流量計的使用性能。
2 渦街流量計的結構
旋渦發生體形狀有圓柱、三角往、T型柱、四角柱等，以下主要介紹圓柱與三角柱這兩種型式。
（1）圓柱型旋渦發生體。前面關于旋渦理論部分的內容就是以圓柱為例進行討論的。雖然這種型式使用較早，但嚴格地說，在高流速下它的斯特羅哈數St并不穩定。因此，人們就將其改進成開狹縫或導壓孔形式。
開導壓孔的圓柱旋渦發生器如圖1所示。由于有導壓孔存在，當旋渦發出的同時產生的交替升力使流體通過導壓孔流動，產生一邊吸入，一邊吹出的效果。當流體附面層在圓柱表面開始分離時，在吸入一側，分離被抑制；在吹出一側，分離則被促進發生。這樣就可使流體分離點的位置固定下來，也就可以使斯特羅哈數St相對穩定。
圖1 圓柱旋渦發生器
（2）三角柱型旋渦發生體。目前采用較多的旋渦發生體是三角柱形的，其形狀一般由實驗確定。它不僅可以得到比圓柱更強烈的旋渦，而且它的邊界層分離點是固定的，即其斯特羅哈數St相對恒定，大約為St=0.16.這樣，渦頻與流速的關系為f=0.16v/d，其中d為三角柱的底邊寬度。形狀可見圖2所示。
圖2 電容式三角柱旋渦發生體
3 渦街流量計的安裝應用
渦街流量計是基于流體振動發展起來的，根據渦街結構材料的不同，檢測方式從熱絲式、熱敏式逐漸發展了應力式、磁敏式及差動開關電容式、超聲波式等。渦街流量計幾乎可用于一切可形成渦街列的場合。與孔板式流量計相比，渦街流量計測量范圍大，壓力損失小，準確度高，安裝與維護簡單。在安裝渦街流量計過程中，可分為卡裝式、插入式卡裝式變徑和插入式變徑等幾種，這取決于管徑的具體情況而定，如圖3所示。安裝位置如圖4所示。
目前，國內大多數的渦街流量計作為一種新型的傳感器在煤礦中使用，它的輸出信號大多為頻率型，范圍為200～1000Hz，可以直接接入瓦斯監控系統，與其聯網，用特定的軟件顯示出瞬時的流量值，同時也可以累計計算出當日或當月的混合氣體流量以及純瓦斯氣體的抽放量。但渦街流量計的環境相關參數較多，比如說現場的泵房里由于機器運轉而造成的輕微震動可能會影響儀器的準確性等，容易在使用現場被忽略而影響這個流量計性能的正確發揮。
4 渦街流量計的影響因素
經過實踐，如下幾個方面對渦街流量計的使用都有影響，應對這些問題進行分析。
（1）渦街流量計的測量范圍較大，一般10∶1，但測量下限受許多因素限制：Re>10000是渦街流量計工作的zui基本條件，除此之外，它還受旋渦產生響應信號，旋渦頻率f也小，還會使信號處理發生困難。測量上限則傳感器的頻率響應和電路的頻率限制，因此設計時一定要對流速范圍進行計算、核算，根據流體的流速進行選擇。使用現場環境條件復雜，選型時除注意環境溫度、濕度、氣氛等條件外，還要考慮電磁干擾。
圖3 渦街流量計卡裝式安裝圖
圖4 抽放泵附近流量計安裝位置示意圖
（2）振動也是該類儀表的一大勁敵。因此在使用時應注意避免機械振動，尤其是管道的橫向振動（垂直于管道軸線又垂直旋渦發生體軸線的振動），這種影響在流量計結構設計上是無法抑制和消除的。由于渦街信號對流場影響同樣敏感，故直管段長度不能保證穩定渦街所必要的流動條件時，是不宜選用的。即使是抗振性較強的電容式、超聲波式，保證流體為充分發展的單向流，也是不可忽略的。
（3）介質溫度對渦街流量計的使用性能也有很大的影響。如壓力應力式渦街流量計不能長期使用在300°C狀態，因其絕緣阻抗會由常溫下的10-100MΩ急降至1-101Ω，輸出信號也變小，導致測量特性惡化。在測量系統中，傳感器與轉換器宜采用分離安裝方式，以免長期高溫影響儀表可靠性和使用壽命。渦街流量計是一種比較新型的流量計，處于發展階段，還不很成熟，如果選擇不當，性能也不能很好發揮。只有經過合理選型、正確安裝后，還需要在使用過程中認真定期維護，不斷積累經驗，提高對系統故障的預見性以及判斷、處理問題的能力，從而達到令人滿意的效果。
5 結論
渦街氣體流量計各項技術指標先進，經實驗使用證明該儀器性能穩定，測定數據準確可靠，無阻力損失，是目前國內瓦斯抽放流量測量理想儀器。
（1）該流量計安裝簡單，使用方便。
（2）儀器阻力損失小，幾乎為0，對抽放泵的抽放能力沒有任何影響，這一點比孔板流量計有著很大的*性。
（3）儀器測定準確、數據可靠，重復性誤差<±1.0%，達到計量標準。
（4）儀器智能化程度高，采用單片機控制，直接顯示，并具有數據斷電保護功能供用戶使用。
（5）由于渦街氣體流量計采用了計算機測試計算，因此減少了復雜的手工計算，提高了工作效率，實現了對內的氣體流量及瓦斯濃度的連續監測。