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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(yīng)用淺析
閱讀：2066 發(fā)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(yīng)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(jié)流原理，用U型壓差計測定孔板兩端的壓差，根據(jù)相關(guān)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(tǒng)阻力， 影響抽放效率；②測定誤差較大，由于煤礦現(xiàn)場條件所限，以及抽放系統(tǒng)的波動，使其測出壓差較為困難；③不能直接讀數(shù)。
流量是一個動態(tài)量，處于運動狀態(tài)的液體內(nèi)部不僅存在著粘性摩擦作用，還會產(chǎn)生不穩(wěn)定的旋渦和二次流等復(fù)雜流動現(xiàn)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(tài)（紊流狀態(tài)、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(fēng)速表、熱球式風(fēng)速計等，其中只有孔板流量計應(yīng)用，其他方法因測量誤差比較大，實際使用的比較少?？装辶髁坑嬰m然測量精度高、但由于其采用的原理是節(jié)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(jù)卡門渦街原理直接測量氣體流量，它采用便攜式結(jié)構(gòu)，可直接顯示測定結(jié)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(jié)構(gòu)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(jù)流量、流態(tài)、安裝要求與環(huán)境條件、經(jīng)濟性等因素合理選型，是應(yīng)用好儀表的前提和基礎(chǔ)。除了儀表自身質(zhì)量要得到保證，工藝數(shù)據(jù)的提供和儀表的安裝、使用、維護是否合理也相當(dāng)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(jì)80年代中期以來發(fā)展較快，它在流量測量方面有著諸多的優(yōu)點和長處，在現(xiàn)代流量測量中應(yīng)用越來越廣泛。在國內(nèi)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(yōu)良并有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品系列。
渦街流量計的原理是在流量計管道中，設(shè)置一滯流件，當(dāng)流體流經(jīng)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(chǎn)生兩列不對稱的旋渦，這些旋渦在滯流件的側(cè)后方分開，形成所謂的卡門（Karman）旋渦列，兩列旋渦的旋轉(zhuǎn)方向是相反的， 卡門從理論上證明了當(dāng)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(wěn)定的，在此情況下，產(chǎn)生旋渦的頻率f與流量計管道中流體流速υ的關(guān)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(shù)，稱為Stroual數(shù)，與流體流動狀態(tài)的雷諾數(shù)Re有關(guān)。
流量計圓截面管道的雷諾數(shù)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(shè)計完畢，流量Q不僅與f有關(guān)，而且與雷諾數(shù)Re也有關(guān)。雷諾數(shù)Re是表征粘性流體流動特性的一個無量綱數(shù)，其物理意義是流體流動的慣性力與粘滯力的比值。旋渦發(fā)生所產(chǎn)生的旋渦頻率需由感測器來測定，感測器獲得的信號經(jīng)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(tài)對渦街流量計的使用也有一定的影響。如果環(huán)境參數(shù)對流體流動狀態(tài)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(jié)構(gòu)
旋渦發(fā)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(fā)生體。前面關(guān)于旋渦理論部分的內(nèi)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(yán)格地說，在高流速下它的斯特羅哈數(shù)St并不穩(wěn)定。因此，人們就將其改進成開狹縫或?qū)嚎仔问健?/p>
開導(dǎo)壓孔的圓柱旋渦發(fā)生器如圖1所示。由于有導(dǎo)壓孔存在，當(dāng)旋渦發(fā)出的同時產(chǎn)生的交替升力使流體通過導(dǎo)壓孔流動，產(chǎn)生一邊吸入，一邊吹出的效果。當(dāng)流體附面層在圓柱表面開始分離時，在吸入一側(cè)，分離被抑制；在吹出一側(cè)，分離則被促進發(fā)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(shù)St相對穩(wěn)定。
圖1 圓柱旋渦發(fā)生器
（2）三角柱型旋渦發(fā)生體。目前采用較多的旋渦發(fā)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(shù)St相對恒定，大約為St=0.16.這樣，渦頻與流速的關(guān)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(fā)生體
3 渦街流量計的安裝應(yīng)用
渦街流量計是基于流體振動發(fā)展起來的，根據(jù)渦街結(jié)構(gòu)材料的不同，檢測方式從熱絲式、熱敏式逐漸發(fā)展了應(yīng)力式、磁敏式及差動開關(guān)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(zhǔn)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(nèi)大多數(shù)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(jiān)控系統(tǒng)，與其聯(lián)網(wǎng)，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(dāng)日或當(dāng)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(huán)境相關(guān)參數(shù)較多，比如說現(xiàn)場的泵房里由于機器運轉(zhuǎn)而造成的輕微震動可能會影響儀器的準(zhǔn)確性等，容易在使用現(xiàn)場被忽略而影響這個流量計性能的正確發(fā)揮。
4 渦街流量計的影響因素
經(jīng)過實踐，如下幾個方面對渦街流量計的使用都有影響，應(yīng)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(chǎn)生響應(yīng)信號，旋渦頻率f也小，還會使信號處理發(fā)生困難。測量上限則傳感器的頻率響應(yīng)和電路的頻率限制，因此設(shè)計時一定要對流速范圍進行計算、核算，根據(jù)流體的流速進行選擇。使用現(xiàn)場環(huán)境條件復(fù)雜，選型時除注意環(huán)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(yīng)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(fā)生體軸線的振動），這種影響在流量計結(jié)構(gòu)設(shè)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(wěn)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(fā)展的單向流，也是不可忽略的。
（3）介質(zhì)溫度對渦街流量計的使用性能也有很大的影響。如壓力應(yīng)力式渦街流量計不能長期使用在300°C狀態(tài)，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(dǎo)致測量特性惡化。在測量系統(tǒng)中，傳感器與轉(zhuǎn)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(fā)展階段，還不很成熟，如果選擇不當(dāng)，性能也不能很好發(fā)揮。只有經(jīng)過合理選型、正確安裝后，還需要在使用過程中認(rèn)真定期維護，不斷積累經(jīng)驗，提高對系統(tǒng)故障的預(yù)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(jié)論
渦街氣體流量計各項技術(shù)指標(biāo)先進，經(jīng)實驗使用證明該儀器性能穩(wěn)定，測定數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，無阻力損失，是目前國內(nèi)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(zhǔn)確、數(shù)據(jù)可靠，重復(fù)性誤差<±1.0%，達到計量標(biāo)準(zhǔn)。
（4）儀器智能化程度高，采用單片機控制，直接顯示，并具有數(shù)據(jù)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(fù)雜的手工計算，提高了工作效率，實現(xiàn)了對內(nèi)的氣體流量及瓦斯?jié)舛鹊倪B續(xù)監(jiān)測。