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电磁涡街流量计的一次仪表结构组成与原理图文分析

时间:2018/04/15来源:未知

 摘 要:针对应力式涡街流量计易受现场振动影响的问题,研究采用电磁方式检测漩涡频率,拟从根本上消除现场振动干扰的影响,确保测量的可靠性。采用谐波信号分析电磁涡街流量计的工作原理,提出采用频谱分析方法处理传感器输出信号,针对永磁场下的水信号的特点研制调理电路和基于 DSP 的信号处理系统,进行电路测试和水流量标定实验。实验结果表明,电磁涡街流量计具有抗振动干扰的功能,在测量水流量时,测量准确度优于 0. 5 级,且量程比高达 30∶ 1。

 
引 言
电磁涡街流量计是一种基于卡门涡街原理和电磁感应原理工作的流量仪表,具有结构简单牢靠,压力损失小,使用寿命长等诸多特点。电磁涡街流量计采用电磁的方法检测沿管道方向流动的漩涡切割磁场时感应出的电动势,通过一定的信号处理方法,计算出流量信息。与涡街流量计相比,其不受管道振动和周边振动源的干扰[1-8] ,测量可靠性高 [9] ,且测量准确度更高;与电磁流量计相比,其一次仪表输出信号为频率与流量相关的谐波信号,信号处理难度大大降低,无零点漂移[10-11] ,且采用永磁铁提供恒定磁场,可以大大降低仪表消耗的电能。
 
国内外学者从不同的角度研究规律的漩涡流过恒定磁场时发生的电磁现象,并设计一次仪表,以检测与流量相关的电磁信号。文献[12]利用漩涡流过恒定磁场时会感应出二次磁场的原理,采用线圈耦合二次磁场并转换成电信号,通过处理电信号,实现流量测量。但是,该检测方法主要用于检测导电率较大的金属液体,无法测量低电导率的流体,如水等。文献[13]利用相邻两个旋向相反的漩涡流过恒定磁场产生的感应电动势极性相反的原理,在两个相邻漩涡中心各插入一个检测电极,用于检测两个漩涡中心的电位差,实现流量测量。但是,这种方法要获得最大的信号幅值,需保证位于磁场内的两个电极之间为距离刚好等于两个旋向相反的漩涡之间的距离,而不同流速,两个旋向相反的漩涡之间的距离不同,导致实施较困难。文献[14]研究了一种采用两对插入到管道中心的电极检测涡流信号,把一对电极置于漩涡发生体后面的磁场内,用于测量漩涡流过恒定磁场的电位,把另一对电极置于漩涡发生体两侧的磁场外,用于测量参考电位,并利用两对电极的电位差反映流量信息。该方法采用电极数目多,且要求 4 个电极要严格位于同一个平面内,结构和制作都比较复杂。文献[15]根据流过漩涡发生体的流体会使插入到管道中心的电极产生振动而切割磁场产生感生电动势的原理测量流量。但是,实验结果表明,该检测方法测量的准确度仅为1%,量程比仅为7∶1。
 
国内外文献均没有具体先容如何把微弱的谐波信号幅值调理到可处理的范围,而有效提取谐波信号是研制电磁涡街流量计的一个难点。在测量水时,由于电磁涡街流量计采用恒定磁场的励磁方式,所以,谐波信号会被叠加幅值达数百毫伏的极化噪声,而单位流速对应的谐波信号幅值仅为数十微伏,远远小于噪声信号幅值。
 
为此,本文研制一种制造工艺更成熟、测量准确度更高、量程比更宽的电磁涡街流量计。根据沿管道流动的漩涡与恒定磁场相互作用的机理设计一次仪表,研究电磁涡街流量计的工作原理,设计提取微弱谐波信号的调理电路,根据信号特点提出信号处理方法,研制基于DSP 的信号处理系统,并进行实验验证。
 
1 一次仪表分析
1.1 结构组成
电磁涡街流量计的一次仪表主要由漩涡发生体、产生恒定磁场的永久磁铁(本文样机使用励磁线圈代替)、衬里、电极和壳体组成,其结构如图 1 所示。漩涡发生体的形状采用普通涡街流量计所用的梯柱体形结构,位于磁场之外,处于磁场上游。一次仪表工作的磁场是恒定磁场,而样机使用励磁线圈通恒定电流产生恒定磁场模拟永久磁铁。衬里起绝缘作用,防止感应出的信号电压被金属壳体短路。电极采用当前普通电磁流量计所用的附着式电极,工艺比较成熟,结构更牢固,由参考电极和工作电极组成,其中,参考电极位于漩涡发生体上游的磁场外,工作电极位于漩涡发生体下游的磁场内。参考电极和工作电极配合工作,采集流动的漩涡与恒定磁场相互作用时产生的电动势信号。电极的轴线、导电液态流向和磁场方向两两垂直;漩涡发生体的轴线与磁场方向平行。
一次仪表结构组成
1.2 工作原理
在管道雷诺数 Re 达到一定数值的情况下,流过非流线型柱体的流体因边界层的不稳定性,很容易发生分离而形成具有一定规律性的漩涡。于是,随着流体的连续运动,在漩涡发生体两侧形成了交替的、方向相反的、有规律的漩涡列[16] ,如图 2 所示。当两列漩涡距离为 h,与两个漩涡间距 l 满足[17]h/l=0. 280 6。
漩涡形成和分布
当在漩涡所在的区域加上恒定磁场时,流动的漩涡切割磁场会引起电荷转移的现象,如图 3 所示。沿漩涡发生体的轴向看,漩涡可以看成是无数个封闭的圆环组成,且组成同一个漩涡的所有圆环旋转方向相同。因此,当磁场方向垂直于纸面向里时,运动轨迹如图 3 所示圆环上的带电粒子受洛伦兹力的作用,转移方向如图 3 箭头所示,其中,实心箭头表示带正电粒子的转移方向,空心箭头表示带负电粒子的转移方向。可见,流动的漩涡和磁场配合实现了搬运带电粒子功能。
磁场中漩涡引起的带电粒子转移方向
参考电极和工作电极配合工作,可以检测由带电粒子的转移而引起的电位变化。电位的变化主要受与其较近的一列漩涡的影响。当漩涡的中心刚好位于工作电极的正下方时,导电液体中带负电的粒子向工作电极所在的位置转移,而带正电的粒子向远离工作电极的方向运动,此时,工作电极的电位处于谐波信号的最低点,如图4 所示。之后,随着漩涡沿管道方向的运动,谐波信号逐渐增大。当两个相邻漩涡中心的连线的中点刚好位于工作电极的正下方时,导电液体中带正电的粒子向工作电极所在的位置转移,而带负电的粒子向远离工作电极的方向运动,此时,工作电极的电位处于谐波信号的最高点,如图 5 所示。之后,随着漩涡沿管道方向的运动,谐波信号又逐渐减小。因此,工作电极和参考电极配合工作,便可拾取沿管道运动的漩涡因切割磁场而产生的谐波信号。
谐波信号最小时的情况谐波信号最大时的情况
 

一、 概 述

在特定的流动条件下,一部分流体动能转化为流体振动,其振动频率与流速(流量)有确定的比例关系,依据这种原理工作的流量计称为流体振动流量计。目前流体振动流量计有三类:涡街流量计、旋进(旋涡进动)流量计和射流流量计。流体振动流量计具有以下一些特点:
  1)输出为脉冲频率,其频率与被测流体的实际体积流量成正比,它不受流体组分、密度、压力、温度的影响;
  2)测量范围宽,一般范围度可达10:1以上;
  3)精确度为中上水平;
  4)无可动部件,可靠性高;
  5)结构简单牢固,安装方便,维护费较低;
  6)应用范围广泛,可适用液体、气体和蒸气。
  涡街流量汁是在流体中安顿一根(或多根)非流线型阻流体(bluff body),流体在阻流体两侧交替地分离释放出两串规则的旋涡,在一定的流量范围内旋涡分离频率正比于管道内的平均流速,通过采用各种形式的检测元件测出旋涡频率就可以推算出流体的流量。
                                                二、工作原理与结构

1. 工作原理

  在流体中设置旋涡发生体(阻流体),从旋涡发生体两侧交替地产生有规则的旋涡,这种旋涡称为卡曼涡街,如图1所示。旋涡列在旋涡发生体下游非对称地排列。设旋涡的发生频率为f,被测介质来流的平均速度为U,旋涡发生体迎面宽度为d,表体通径为D,根据卡曼涡街原理,有如下关系式
              f=SrU1/d=SrU/md                     (1)
式中  U1--旋涡发生体两侧平均流速,m/s;
    Sr--斯特劳哈尔数;
    m--旋涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比
        


图1 卡曼涡街


  管道内体积流量qv为
            qv=πD2U/4=πD2mdf/4Sr                 (2)
            K=f/qv=[πD2md/4Sr]-1                  (3)
式中 K--流量计的仪表系数,脉冲数/m3(P/m3)。
  K除与旋涡发生体、管道的几何尺寸有关外,还与斯特劳哈尔数有关。斯特劳哈尔数为无量纲参数,它与旋涡发生体形状及雷诺数有关,图2所示为圆柱状旋涡发生体的斯特劳哈尔数与管道雷诺数的关系图。由图可见,在ReD=2×104~7×106范围内,Sr可视为常数,这是仪表正常工作范围。当测量气体流量时,VSF的流量计算式为
                           (4)


图2 斯特劳哈尔数与雷诺数关系曲线

式中 qVn,qV--分别为标准状态下(0oC或20oC,101.325kPa)和工况下的体积流量,m3/h;
   Pn,P--分别为标准状态下和工况下的绝对压力,Pa;
   Tn,T--分别为标准状态下和工况下的热力学温度,K;
   Zn,Z--分别为标准状态下和工况下气体压缩系数。
  由上式可见,VSF输出的脉冲频率信号不受流体物性和组分变化的影响,即仪表系数在一定雷诺数范围内仅与旋涡发生体及管道的形状尺寸等有关。但是作为流量计在物料平衡及能源计量中需检测质量流量,这时流量计的输出信号应同时监测体积流量和流体密度,流体物性和组分对流量计量还是有直接影响的。

2. 结构

  涡街流量计由传感器和转换器两部分组成,如图3所示。传感器包括旋涡发生体(阻流体)、检测元件、仪表表体等;转换器包括前置放大器、滤波整形电路、D/A转换电路、输出接口电路、端子、支架和防护罩等。近年来智能式流量计还把微处理器、显示通讯及其他功能模块亦装在转换器内。


图3 涡街流量计
 

(1)旋涡发生体

  旋涡发生体是检测器的主要部件,它与仪表的流量特性(仪表系数、线性度、范围度等)和阻力特性(压力损失)密切相关,对它的要求如下。
  1) 能控制旋涡在旋涡发生体轴线方向上同步分离;
  2) 在较宽的雷诺数范围内,有稳定的旋涡分离点,保持恒定的斯特劳哈尔数;
  3) 能产生强烈的涡街,信号的信噪比高;
  4) 形状和结构简单,便于加工和几何参数标准化,以及各种检测元件的安装和组合;
  5) 材质应满足流体性质的要求,耐腐蚀,耐磨蚀,耐温度变化;
  6) 固有频率在涡街信号的频带外。
  已经开发出形状繁多的旋涡发生体,它可分为单旋涡发生体和多旋涡发生体两类,如图4所示。单旋涡发生体的基本形有圆柱、矩形柱和三角柱,其他形状皆为这些基本形的变形。三角柱形旋涡发生体是应用最广泛的一种,如图5所示。图中D为仪表口径。为提高涡街强度和稳定性,可采用多旋涡发生体,不过它的应用并不普遍。


(a)单旋涡发生体

(b)双、多旋涡发生体
图4 旋涡发生体


图5 三角柱旋涡发生体
d/D=0.2~0.3;c/D=0.1~0.2;
b/d=1~1.5;θ=15o~65o

 

⑵ 检测元件

  流量计检测旋涡信号有5种方式。
  1) 用设置在旋涡发生体内的检测元件直接检测发生体两侧差压;
  2) 旋涡发生体上开设导压孔,在导压孔中安装检测元件检测发生体两侧差压;
  3) 检测旋涡发生体周围交变环流;
  4) 检测旋涡发生体背面交变差压;
  5) 检测尾流中旋涡列。
  根据这5种检测方式,采用不同的检测技术(热敏、超声、应力、应变、电容、电磁、光电、光纤等)可以构成不同类型的VSF,如表1所示。

表1 旋涡发生体和检测方式一览表
 

 

 

 

序号
旋涡发生体截面形状
传感器
序号
旋涡发生体截面形状
传感器
检测方式
检测元件
检测方式
检测元件
1
方式 5)
超声波束
9
方式 2)
反射镜/光电元件
2
方式 2)

方式 3)
方式 5)
方式 1)
悬臂梁/电容,悬臂梁/压电片
热敏元件
超声波束
应变元件
10
方式 5)
膜片/压电元件
11
方式 3)
扭力管/压电元件
3
方式 1)
方式 2)
压电元件
压电元件
12
方式 4)
扭力管/压电元件
4
方式 1)
方式 2)
方式 2)
膜片/电容
热敏元件
振动体/电磁传感器
13
方式 4)
振动片/光纤传感器
14
方式 5)
超声波束
5
方式 1)
膜片/静态电容
15
方式 2)
应变元件
6
方式 1)
磁致伸缩元件
16
方式 1)
压电元件
7
方式 1)
膜片/压电元件
17
方式 4)
应变元件
8
方式 2)
热敏元件
18
方式 5)
超声波束

 

 

 

⑶ 转换器

  检测元件把涡街信号转换成电信号,该信号既微弱又含有不同成分的噪声,必须进行放大、滤波、整形等处理才能得出与流量成比例的脉冲信号。
  不同检测方式应配备不同特性的前置放大器,如表2所列。

表2 检测方式与前置放大器
 

 

 

 

检测方法
热敏式
超声式
应变式
应力式
电容式
光电式
电磁式
前置放大器
恒流放大器
选频放大器
恒流放大器
电荷放大器
调谐-振动放大器
光电放大器
低频放大器

 

 

 

  转换器原理框图如图6所示。


图6 转换器原理框图

⑷ 仪表表体

  仪表表体可分为夹持型和法兰型,如图7所示。


图7 仪表表体

三、 优点和局限性

1. 优点
  涡街流量计结构简单牢固,安装维护方便(与节流式差压流量计相比较,无需导压管和三阀组等,减少泄漏、堵塞和冻结等)。
  适用流体种类多,如液体、气体、蒸气和部分混相流体。
  精确度教高(与差压式,浮子式流量计比较),一般为测量值的( ±1%~±2%)R。
  范围宽度,可达10:1或20:1。
  压损小(约为孔板流量计1/4~1/2)。
  输出与流量成正比的脉冲信号,适用于总量计量,无零点漂移;
  在一定雷诺数范围内,输出频率信号不受流体物性(密度,粘度)和组分的影响,即仪表系数仅与旋涡发生体及管道的形状尺寸有关,只需在一种典型介质中校验而适用于各种介质,如图8所示。


图8 不同测量介质的斯特劳哈尔数

  可根据测量对象选择相应的检测方式,仪表的适应性强。
 涡街流量计在各种流量计中是一种较有可能成为仅需干式校验的流量计。

2. 局限性

  涡街流量计不适用于低雷诺数测量(ReD≥2×104),故在高粘度、低流速、小口径情况下应用受到限制。
  旋涡分离的稳定性受流速分布畸变及旋转流的影响,应根据上游侧不同形式的阻流件配置足够长的直管段或装设流动调整器(整流器),一般可借鉴节流式差压流量计的直管段长度要求安装。
  力敏检测法涡街流量计对管道机械振动较敏感,不宜用于强振动场所。
  与涡轮流量计相比仪表系数较低,分辨率低,口径愈大愈低,一般满管式流量计用于
DN300以下。
  仪表在脉动流、混相流中尚欠缺理论研究和实践经验。

四、分类与凡种类型产品概况


1. 分类

  涡街流量计可按下述原则分类。
  按传感器连接方式分为法兰型和夹装型。
  按检测方式分为热敏式、应力式、电容式、应变式、超声式、振动体式、光电式和光纤式等。
  按用途分为普通型、防爆型、高温型、耐腐型、低温型、插入式和汽车专用型等。
  按传感器与转换器组成分为一体型和分离型。
  按测量原理分为体积流量计、质量流量计。

2. 几种类型产品概况

  各类涡街流量计性能比较如表3所示。
 

表3 不同检测方法涡街流量计比较
 

 

 

 

 
名 称
检测变化量
 
 
 
 
检测技术
口径/mm
 
 
介质温度/oC
范围度
 
雷诺数范围
 
 
简单程度
牢固程度
 
 
 
灵敏度
 
耐热性
 
耐振性
 
耐污能力
 
应用范围
检测原理
检测元件
热敏式涡街流量计



 
 
 
加热体冷却
热敏元件
25~200
-196~+205
15~30
104~106
×
×
清洁、无腐蚀液体、气体
超声式涡街流量计
声束被调制
超声换能器
25~150
-15~+175
30
3×103~106
×
小口径液体、气体
电容式涡街流量计


变 化
 
 
 
 
 
 
压差作用
 
 
 
 
压差检测
膜片/电容
15~300
-200~+400
30
104~106
×
液体、气体、蒸汽
应力式涡街流量计
压差检测
膜片/压电片
50~200
-18~+205
16
104~106
×
×
液体、气体、蒸汽
振动体式涡街流量计
 
压差检测
 
圆盘/电磁
50~200
 
-268~-48
10~30
 
5×103~106
 
 
×
 
 
 
×
 
 
×
极低温液态气体
棱球/电磁
-40~+427
高温蒸汽
光电式涡街流量计
压差检测
反射镜/光电元件
40~80
-10~+50
40
3×103~105
×
×
×
低压常温气体
应变式涡街流量计
升力作用
 
应变检测
应变元件
50~150
-40~120
15
104~3×106
×
液体
应力式涡街流量计
应力检测
压电元件
15~300
-40~+400
10~20
104~7×106
×
液体、气体、蒸汽
注∶√-较好、△-一般、×-差。
 

 

 

 

  以下概况几种类型涡街流量计。

  ⑴ 应力式涡街流量计
  如图9所示,应力式涡街流量计应用检测方式1)~4)(见二、2.),它把检测元件受到的升力以应力形式作用在压电晶体元件上,转换成交变的电荷信号,经电荷放大、滤波、整形后得到旋涡频率信号。压电传感器响应快、信号强、工艺性好、制造成本低、与测量介质不接触、可靠性高。仪表的工作温度范围宽,现场适应性强,可靠性较高,它是目前涡街流量计的主要产品类型。


图9 应力式涡街流量计
1-表头组;2-三角柱;3-表体;4-联轴;5-压板;6-探头;7-密封垫;8-接头;
9-密封垫圈;10-螺栓;11-销;12-铭牌;13-圆螺母;14-支架;15-螺栓
 


  但是,它对管道振动较敏感,是其主要缺点,几年来,生产厂家做了大量工作以弥补此缺陷:如对仪表本身结构,检测位置以及信号处理等采取措施;在管道安装减震方式下功夫;向用户提供选点咨询引导等,已经取得一定的进展,当然如测量对象有较强的振动还是不用为好。

 (2)电容式涡街流量计 

 电容式涡街流量计应用检测方式1)、2),安装在涡街流量传感器中的电容检测元件相当于一个悬臂梁(见图10)。当旋涡产生时,在两侧形成微小的压差,使振动体绕支点产生微小变形,从而导致一个电容间隙减少(电容量增大),另一个电容间隙增大(电容量下降),通过差分电路检测电容差值。当管道有振动时,不管振动是何方向,由振动产生的惯性力同时作用在振动体及电极上,使振动体与电极都在同方向上产生变形,由于设计时保证了振动体与电极的几何结构与尺寸相匹配,使它们的变形量一致,差动信号为零。这就是电容检测元件耐振性能好的原因。虽然由于制造工艺的误差,不可能完全消除振动的影响,但大大提高了耐振性能。试验证明,其耐振性能超过1g。电容式另一个优点是可耐高温达400oC,温度对电容检测元件的影响有两方面:温度使电容间介电常数发生变化和电极的几何尺寸随温度而变,这些导致电容值发生变化,另一方面由于温度升高金属热电子发射造成电容的漏电流增大。试验证明,当温度升高至400oC时无论电容值变化或漏电流增大都未影响仪表的基本性能。


图10 电容式检测元件

  ⑶ 热敏式涡街流量计  热敏式流量计采用检测方式2)、3),如图11所示。旋涡分离引起局部流速变化,改变热敏电阻阻值,恒流电路把桥路电阻变化转换为交变电压信号。这种仪表检测灵敏度较高,下限流速低,对振动不敏感,可用于清洁、无腐蚀性流体测量。


图11 热敏式涡街流量计
R11,R12-热敏电阻

  ⑷ 超声式流量计
  超声式流量计采用检测方式5),如图12所示。由图可见,在管壁上安装二对超声探头T1,R1,T2,R2,探头T1,T2发射高频、连续声信号,声波横穿流体传播。当旋涡通过声束时,每一对旋转方向相反的旋涡对声波产生一个周期的调制作用,受调制声波被接收探头R1,R2转换成电信号,经放大、检波、整形后得旋涡信号。仪表有较高检测灵敏度,下限流速较低,但温度对声调制有影响,流场变化及液体中含气泡对测量影响较大,故仪表适用于温度变化小的气体和含气量微小的液体流量测量。


图12 超声式涡街流量传感器

  ⑸ 振动体式流量计  振动体式流量计采用检测方式2),如图13所示。在旋涡发生体轴向开设圆柱形深孔,孔内放置软磁材料制作的轻质空心小球或圆盘(振动体),旋涡分离产生的差压推动振动体上下运动,位于振动体上方的电磁传感器检测出旋涡频率。它只适用于清洁度较高的流体(如蒸汽),可用于极高温(427oC)及极低温(-268oC),这是其特点。


图13 振动体式涡街流量计

  ⑹ 升力式涡街质量流量计

  旋涡分离的同时,旋涡发生体受到流体作用的升力,升力F的大小为
              F=CLρU2/2                       (5)
式中   CL-旋涡发生体升力系数。
  以式(5)除以式(1),经整理后可得质量流量qm
              qm=ρU(π/4)D2=πD2Sr/2CLmd×F/f              (6)
  由式(6)可看出,质量流量qm与升力F成正比。图14为原理框图。从压电检测元件取出旋涡信号,经电荷转换器后分两路处理:一路经有源滤波器、施密特整形器和f/V转换器,获得与流速成正比的信号;另一路经放大器、滤波器获得信号幅值与ρU2成正比的信号。这两路信号经除法器运算,获得质量流量。


图14 升力式涡街质量流量计原理框图

  该方法结构简单,但信号幅值与压电元件稳定性、放大器稳定性、现场安装条件、被测介质温度等多种因素有关,测量精确度难以提高。

  ⑺ 差压式涡街质量流量计

  流体通过旋涡发生体,产生旋涡分离和尾流震荡,部分能量被消耗和转换,在旋涡发生体前后产生压力损失
    △p=CDρU2/2                                 (7)
式中   CD-涡街流量传感器阻力系数。
  以式(7)除式(1),经整理后得质量流量qm
            qm=ρU(π/4)D2=(πD2Sr/2mdCD)(△p/f)             (8)
  图15示为差压式涡街质量流量计原理框图,传感器输出与体积流量成正比的频率,差压单元测出旋涡发生体前后特定位置的差压△P,经计算单元计算,获得质量流量qm。选择阻力特性和流量特性俱佳的旋涡发生体,确定取压孔位置,建立CD的数学模型是技术关键。


图15 差压式涡街质量流量计

 

五、选用考虑要点


1. 应用概述

  VSF自20世纪70年代在工业上应用以来,由于它具有一些突出的特点,受到用户欢迎,并得到迅速发展。像它这样开发只有20多年即已跻身通用流量计之列,在流量计中是少有的。由于应用时间短,无论理论研究或实践经验都比较薄弱,不免出现一些问题,这是不足为怪的。多年实践证明,VSF的选用(选型和使用)是用好流量计的关键环节,因此仪表制造厂应加强售前服务,即帮助用户选型,并在安装投用上给予引导。只要抓住这一环节,该流量计不失为一种性能不错的流量计。
  20世纪90年代中后期世界范围内VSF在流量仪表总量中,台数约占3%~5%,每年5万~6万台,金额占4%~6%;在我国销售台数约占流量仪表总量(不包括家用燃气表和水 表及玻璃管浮子流量计)的6%~8%,每年1.5万~2万台。

2. VSF的口径选择

  VSF的仪表口径及规格选择很重要,它类似于差压流量计节流装置的设计计算,要遵循一些原则进行选择。仪表口径选择步骤如下。
  首先必须明确以下工作参数。
  1)流体名称,组分;
  2)工作状态的最大、常用、最小流量;
  3)最高、常用、最低工作压力和工作温度;
  4)工作状态介质的粘度。
  VSF的输出信号是与工作状态的体积流量成正比的,因此如已知气体流量是标准状态体积流量或质量流量时,应把它换算成工作状态下的体积流量qv
              qv=qn(pnTZ/pTnZn) m3/h                 (9)
式中 qv,qn--分别为工作状态和标准状态下的体积流量,m3/h;
   P,Pn--分别为工作状态和标准状态下的绝对压力,Pa;
   T,Tn--分别为工作状态和标准状态下的热力学温度,K;
   Z,Zn--分别为工作状态和标准状态下的气体压缩系数。
  工作状态下介质的密度ρ和体积流量qv
          ρ=ρn(pTnZn/ pnTZ)                       (10)
式中  ρ,ρn--分别为工作状态和标准状态下的介质密度,kg/m3;
  其余符号同上。
              qv =qm/ρ                       (11)
式中 qm--质量流量,kg/h。
  下面需要选择传感器口径。传感器口径选择主要是对流量下限值进行核算。它应该满足 两个条件:最小雷诺数不应低于界限雷诺数(ReC=2×104)和对于应力式VSF在下限流量 时旋涡强度应大于传感器旋涡强度的允许值(旋涡强度与升力ρU2成比例关系),对于液体 还应检查最小工作压力是否高于工作温度下的饱和蒸气压,即是否会产生气穴现象。
  这些条件用数学式可表示如下(12-14)
              
式中 qVmin,qV0min--分别为工作状态和校准状态下的最小体积流量,m3/h;
  (qVmin)ρ--满足旋涡强度要求时最小体积流量,m3/h;
  (qVmin)υ--满足最小雷诺数要求时最小体积流量,m3/h;
  ρ,ρ0--分别为工作状态和校准状态下介质的密度,kg/m3;
  υ,υ0--分别为工作状态和校准状态下介质的运动粘度,m2/s;
  Pmin--最小工作压力,Pa;
  △p--最大流量时传感器的压力损失,Pa,
          △p=CD(ρU2/2),CD≈2
  U--管道平均流速,m/s;
  PV--工作温度下液体的饱和蒸气压,Pa。
  比较(qVmin)ρ,和(qVmin)υ:
  若(qVmin)υ≥(qVmin)ρ,可测流量范围为(qVmin)ρ~qVmax,线性范围为(qVmin)υ~qVmax;
  若(qVmin)υ<(qVmin)ρ,可测流量范围和线性范围为(qVmin)ρ~qVmax。
  流量测量范围的确定还应检查是否处于仪表的最佳工作范围(即上限流量的1/2~2/3处)。表4示有某型号涡街流量计特定校准条件下各种口径的流量测量范围。

表4 某型号涡街流量计特定校准条件下流量测量范围
 

 

 

 

口径DN/mm
液体/(m3/h)
气体/(m3/h)
标准测量范围
可选测量范围
标准测量范围
可选测量范围
20
1.2~12
1~15
6~50
5~77
25
1.6~16
1.6~18
8~60
8~120
40
2~30
2~48
18~180
18~310
50
3~50
3~70
30~300
30~480
80
15~150
10~170
70~700
70~1230
100
20~200
15~270
100~1000
100~1920
125
36~360
25~450
150~1500
140~3000
150
50~500
40~630
200~2000
200~4000
200
100~1000
80~1200
400~4000
320~8000
250
150~1500
120~1800
600~6000
550~11000
300
200~2000
180~2500
1000~10000
800~18000

 

 

 

注:校准条件如下:
  1.液体:常温水,t=20℃,ρ=998.2kg/m3,υ=1.006×10-6m2/s。
  2.气体:常温常压空气,t=20℃,P=0.1MPa(绝),ρ=1.205 kg/m3,υ=15×10-6 m2/s。

  根据上述原则选择的仪表口径不-定与管道通径相一致,如不同时应连接异形管并配置一段必要的直管段长度。

  【例1】空气流量测量

   ⑴ 已知条件

   最大流量:2000m3/h(20℃,101.325kPa)
   最小流量:300m3/h(20℃,101.325kPa)
   管道内径:80mm
   工作压力:0.5MPa(绝)
   工作温度:60℃

  (2)辅助计算
    
    

   (3) 口径选择
    
  比较(qV0min)ρ和(qV0min)υ,
                (qV0min)ρ>(qV0min)υ
  故可测流量范围为(qV0min)ρ~qVmax。
  即可测流量范围为143.7~2000m3/h,由表4查得DN100可满足要求,这样VSF口径与管道通径不一致,应设置异径管(扩散管)并配置一段直管段。

  【例2】热水流量测量

  (1)已知条件

  最大流量:18m3/h
  最小流量:6 m3/h
  工作压力:0.25MPa
  工作温度:90℃
  介质密度:965 kg/m3
  介质粘度:3.32×10-7m2/s

  (2)口径选择
    
  比较(qV0min)ρ和(qV0min)υ,
                (qV0min)ρ≤(qV0min)υ
  可测流量范围为(qV0min)ρ~qVmax。查得DN40、ND50皆可满足要求,选择DN40更合适些。

  (3)检查压力损失

  最大流量时平均流速Umax为
    
  查生产厂提供的资料得CD:2.2
  则 △p=1.1ρU2max=1.1×965×3.982=0.168×105Pa
  不发生气穴的最低工作压力
        p=2.7△pmax+1.3pv=2.7×0.168×105+1.3×0.7149×105=0.138MPa
  故由计算可知不会发生气穴现象。
  饱和水蒸气的流量测量范围可由表4所示气体流量测量范围用下式求得
                           (15)
式中 qm--水蒸气的质量流量,t/h;
   qv空--空气的体积流量,m3/h;
   ρ--水蒸气的密度,kg/m3;
   ρ0--空气的密度,ρ0=1.205 kg/m3。
  饱和水蒸气的流量测量范围如表5所示。
  试计算DN100饱和水蒸气0.8MPa时的流量范围。
  1) 由表4查得DN100流量范围100~1000 m3/h;
  2) 由饱和水蒸气密度表查出0.8MPa时,ρ=4.162 kg/m3;
  3) 计算得
    

表5 饱和水蒸气质量流量范围       单位:(kg/ h)

绝压p/MPa
温度T/oC
密度p/(kg/m3)
0.2
120.23
1.129
0.3
133.54
1.651
0.4
143.62
2.163
0.5
151.84
2.669
0.6
158.94
3.170
0.7
164.96
3.667
0.8
170.41
4.162
DN20 Qmin
Qmax
可扩展最大上限
11
89
89
13
130
130
15
150
171
16
160
211
18
180
250
19
190
290
20
200
329
DN25 Qmin
Qmax
可扩展最大上限
14
140
140
17
170
204
19
190
267
22
220
330
23
230
391
25
250
453
27
270
541
DN40 Qmin
Qmax
可扩展最大上限
31
310
357
38
380
522
44
440
684
48
480
844
53
530
1003
57
570
1160
60
600
1317
DN50 Qmin
Qmax
可扩展最大上限
52
520
558
63
630
816
73
730
1069
81
810
1320
88
880
1568
95
950
1813
101
1010
2058
DN80 Qmin
Qmax
可扩展最大上限
122
1220
1429
148
1480
2090
170
1700
2738
188
1880
3379
205
2050
4013
221
2210
4642
235
2350
5269
DN100 Qmin
Qmax
可扩展最大上限
175
1750
2233
212
2120
3266
242
2420
4278
269
2690
5279
293
2930
6270
315
3150
7254
336
3360
8233
DN125 Qmin
Qmax
可扩展最大上限
262
2620
3489
317
3170
5103
363
3630
6685
404
4040
8249
440
4400
9798
473
4730
11334
504
5040
12864
DN150 Qmin
Qmax
可扩展最大上限
350
3500
5025
423
4230
7348
484
4840
9627
538
5380
11879
586
5860
14019
631
6310
16321
672
6720
15824
DN200 Qmin
Qmax
可扩展最大上限
700
7000
8933
846
8460
13064
969
9690
17115
1076
10760
21119
1173
11730
25083
1261
12610
29016
1344
13440
32993
DN250 Qmin
Qmax
可扩展最大上限
1050
10500
13958
1269
12690
20412
1453
14530
26742
1641
16410
32998
1759
17590
39193
1892
18920
45337
2016
20160
51457
DN300 Qmin
Qmax
可扩展最大上限
1750
17500
20100
2116
21160
29394
2422
24220
38509
2690
26900
47518
2932
29320
56438
3153
31530
65286
3359
33590
74099
DN350 Qmin
Qmax
可扩展最大上限
2624
26240
27359
3174
31740
4008
3632
36320
52415
4035
40350
64677
4397
43970
76818
4730
47300
88862
5038
50380
100857
DN400 Qmin
Qmax
可扩展最大上限
3149
31490
35734
3808
38080
52256
4359
43590
68461
4842
48420
84477
5277
52770
100334
5676
56760
116064
6047
60470
131732
DN500 Qmin
Qmax
可扩展最大上限
4374
43740
55834
5289
52890
81650
6054
60540
106971
6725
67250
131995
7329
73290
156772
7883
78830
181351
8398
83980
205831
DN600 Qmin
Qmax
可扩展最大上限
5599
55990
80401
6770
67700
117576
7749
77490
154038
8608
86080
190073
9381
93810
225752
10089
100890
261146
10749
107490
296397
绝压p/MPa
温度T/oC
密度p/(kg/m3)
0.9
175.36
4.655
1.0
179.88
5.147
1.2
187.96
6.127
1.4
195.04
7.106
1.6
201.37
8.085
1.8
207.11
9.065
2.0
212.37
10.05
DN20 Qmin
Qmax
可扩展最大上限
21
210
368
22
220
407
24
240
484
26
260
562
28
280
639
30
300
717
31
310
794
DN25 Qmin
Qmax
可扩展最大上限
28
280
575
30
300
636
33
330
757
35
350
878
37
370
999
40
400
1120
42
420
1242
DN40 Qmin
Qmax
可扩展最大上限
64
640
1473
67
670
1629
73
730
1939
79
790
2249
84
840
2559
89
890
2869
94
940
3180
DN50 Qmin
Qmax
可扩展最大上限
107
1070
2302
112
1120
2545
122
1220
3030
132
1320
3514
140
1400
3998
149
1490
4483
157
1570
4970
DN80 Qmin
Qmax
可扩展最大上限
249
2490
5893
261
2610
6515
285
2850
7757
307
3070
8996
328
3280
10235
347
3470
11476
365
3650
12723
DN100 Qmin
Qmax
可扩展最大上限
355
3550
9208
374
3740
10181
408
4080
12120
439
4390
14057
468
4680
15993
496
4960
17932
522
5220
19880
DN125 Qmin
Qmax
可扩展最大上限
553
5530
14388
560
5600
15908
611
6110
18938
658
6580
21964
702
7020
24990
743
7430
28018
783
7830
31063
DN150 Qmin
Qmax
可扩展最大上限
711
7110
20719
747
7470
22909
815
8150
27270
878
8780
31628
936
9360
35985
992
9920
40347
1044
10440
44732
DN200 Qmin
Qmax
可扩展最大上限
1421
14210
36834
1494
14940
40727
1630
16300
48481
1756
17560
56228
1873
18730
63794
1983
19830
71729
2088
20880
79523
DN250 Qmin
Qmax
可扩展最大上限
2132
21320
57553
2241
22410
63636
2445
24450
75752
2634
26340
87856
2809
28090
99960
2974
29740
112077
3132
31320
124225
DN300 Qmin
Qmax
可扩展最大上限
3553
35530
82876
3736
37360
91636
4076
40760
109083
4389
43890
126513
4682
46820
143943
4958
49580
1613911
5220
52200
178928
DN350 Qmin
Qmax
可扩展最大上限
5329
53290
112804
5603
56030
124726
6114
61140
148457
6538
65380
172199
7023
70230
195923
7436
74360
219671
7830
78300
243541
DN400 Qmin
Qmax
可扩展最大上限
6395
63950
147336
6724
67240
162908
7336
73360
193926
7901
79010
22491
8427
84270
255899
8923
89230
286918
9396
93960
318094
DN500 Qmin
Qmax
可扩展最大上限
8881
88810
230213
9339
93390
254544
10189
101890
303010
10973
109730
351472
11705
117050
399843
12394
123940
448309
13050
130500
497022
DN600 Qmin
Qmax
可扩展最大上限
11368
113680
331506
11954
119540
366544
13042
130420
436335
14046
140460
506055
14982
149820
575774
15864
158640
645565
16704
167040
715712

 

3. VSF的精确度

  VSF的精确度对于液体大致在±0.5%R~±2%R,对于气体在±l%R~±2%R,重复性一般为0.2%~0.5%。由于VSF的仪表系数较低,频率分辨率低,口径愈大愈低,故仪表口径不宜过大(DN300以下)。
  范围度宽是VSF的特点,但重要的是下限流量为多少。一般液体平均流速下限为0.5m/s,气体为4~5m/s。VSF的正常流量最好在正常测量范围的1/2~2/3处。
  VSF的仪表系数不受测量介质物性的影响,这是很大的优点,可以用一种典型介质校验而应用到其他介质去,对于解决校验设备问题提供便利。但是应该看到由于液、气的流速范围差别很大,因此频率范围亦差别很大。处理涡街信号的放大器电路中,滤波器的通带不 同,电路参数亦不同,因此,同一电路参数是不能用于不同测量介质的。介质改变,电路参数亦应随之改变。
  另外,气体和液体的密度差别很大,旋涡分离时产生的信号强度与密度成正比。因此信号强度差别亦很大,液、气放大器电路的增益,触发灵敏度等皆不一样,压电电荷差别大, 电荷放大器的参数也不同。即使同为气体(或液体、蒸汽)随着介质压力、温度不同,密度不同,使用的流量范围不同,信号强度亦不同,电路参数同样要改变。因此一台VSF不经硬件或App修改,改变使用介质或改变仪表口径是不可行的。

4. 主要问题

  VSF大量使用已有十余年,使用效果不理想,总结起来主要有以下几点原因。
  1)产品质量问题,设计原理或设计方案有严重缺陷,产品材料、工艺质量不良。尤其近年来,一些生产厂片面追求利润,产品粗制滥造,败坏了VSF的声誉。
  2)仪表选型和使用问题,用户给定工艺参数不准确,使得选型不当;安装地点选择有问题,安装不符合规定要求。
  3)现场调整问题,现场投运缺乏调整或调整不当,正确的调整是用好的关键。

5. 适用的情况

  VSF不适用于测量低雷诺数(ReD≤2×104)流体。低雷诺数时斯特劳哈尔数随着雷诺数而变,仪表线性度变差,流体粘度高会显著影响甚至阻碍旋涡的产生,选型的一个限制条件是不能使用于界限雷诺数之下。
  VSF适用的流体比较广泛,但对于流体的脏污性质要注意。含固体微粒的流体对旋涡发生体的冲刷会产生噪声,磨损旋涡发生体。若含有的短纤维缠绕在旋涡发生体上将改变仪表系数。
  VSF在混相流体中的应用经验还少,一般可用于含分散、均匀的微小气泡,但容积含气率应小于7%~10%的气、液两相流,若超出2%就应对仪表系数进行修正。可用于含分散、均匀的固体微粒,含量不大于2%的气固、液固两相流。可用于互不溶解的液液(如油和水)两组分流等。
  脉动流和旋转流会对VSF产生严重影响。如果脉动频率与涡街频率频带合拍可能引起谐振破坏正常工作和设备,使涡街信号产生"锁定(1ock-in)"现象,这时信号固定于某一频率。"锁定"与脉动幅值、旋涡发生体形状及堵塞比等有关。VSF的正常工作的脉动阈值尚待试验确定。80年代以来国内外流量测量工编辑已对VSF在混相流、脉动流中的应用开展许多试验研究,国际标准化组织(ISO)已发布的技术报告中亦关注这方面内容。

6. 经济性

  在众多的流量计中,VSF的经济性较好,是一种经济实惠的流量计。VSF的基本性能处于中等偏上水平,购置费低于质量式、电磁式、容积式等,而安装、运行、维护费低于节流式、容积式、涡轮式等,如仅作为控制系统检测仪表可采用干校方式节省周期校验费用。
 

六、 安装使用注意事项

 

1. 安装注意事项

  VSF属于对管道流速分布畸变、旋转流和流动脉动等敏感的流量计,因此,对现场管道安装条件应充分重视,遵照生产厂使用说明书的要求实行。
  VSF可安装在室内或室外。如果安装在地井里,有水淹的可能,要选用涎水型传感器。传感器在管道上可以水平、垂直或倾斜安装,但测量液体和气体时为防止气泡和液滴的干扰,安装位置要注意,如图16所示。


图16 混相流体的安装
(a) 测量含液体的气体流量仪表安装;
(b) 测量含气液体流量仪表安装

  VSF必须保证上、下游直管段有必要的长度,如图17所示。在各种资料中数据有差异,其原因可能是,旋涡发生体尚未标准化,形状尺寸的差异有多少影响尚待验证;对各类阻流件必要的直管段长度试验研究尚不够,即还不成熟,对比节流式差压流量计,这方面工作还处于初始阶段。


图17 涡街流量计对上、下游直管段长度的要求
(a)一个90o弯头;(b)同心扩管;(c)同心收缩全开阀门;(d)不同平面两个90o弯头;
(e)调节阀半开阀门;(f)同一平面两个90o弯头

  传感器与管道的连接如图18所示。在与管道连接时要注意以下问题。


图18 传感器与管道的连接

  1) 上、下游配管内径D与传感器内径D`相同,其差异满足下述条件:0.95D≤D`≤1.1D。
  2) 配管应与传感器同心,同轴度应小于0.05D`。
  3) 密封垫不能凸入管道内,其内径可比传感器内径大1~2mm。
  4) 如需断流检查与清洗传感器,应设置旁通管道如图19所示。


图19 旁通管道示意图

  5) 减小振动对VSF的影响应该作为VSF现场安装的一个突出问题来关注。首先在选择传感器安装场所时尽量注意避开振动源。其次采用弹性软管连接在小口径中可以考虑。第三,加装管道支撑物是有效的减振方法,一种管道支撑方法如图20所示。


图20 安装管道支撑举例

  成套安装,包括前后直管段,流动调整器等是保证获得高精确度测量的一个措施,特别这些装配在制造厂进行更能保证安装的质量,图21所示为一安装实例。


图21 高精度测量的配管安装

  电气安装应注意传感器与转换器之间采用屏蔽电缆或低噪声电缆连接,其距离不应超过使用说明书的规定。布线时应远离强功率电源线,尽量用单独金属套管保护。应遵循"一点接地"原则,接地电阻应小于10Ω。整体型和分离型都应在传感器侧接地,转换器外壳接地点应与传感器"同地"。

2. 使用注意事项

  (1)现场安装完毕通电和通流前的检查

  1)主管和旁通管上各法兰、阀门、测压孔、测温孔及接头应无渗漏现象;
  2)管道振动情况是否符合说明书规定;
  3)传感器安装是否正确?各部分电气连接是否良好?

  (2)接通电源静态调试

  在通电不通流时转换器应无输出,瞬时流量指示为零,累积流量无变化,否则首先检查是否因信号线屏蔽或接地不良,或管道震动强烈而引入干扰信号。如确认不是上述原因时,可调整转换器内电位器,降低放大器增益或提高整形电路触发电平,直至输出为零。

  (3)通流动态调试

  关旁通阀,打开上下游阀门,流动稳定后转换器输出连续的脉宽均匀的脉冲,流量指示稳定无跳变,调阀门开度,输出随之改变。否则应细致检查并调整电位器直至仪表输出既无误触发又无漏脉冲为止。如仪表有故障可参照表7解决。

  (4)仪表系数修正

  VSF的仪表系数是在实验室条件下校验的,现场使用时工作条件偏离实验室条件应对仪表系数进行修正
    KVO=f/qv 脉冲数/m3 (16)
    KV=EtEREDKVO(17)
式中 KVO,KV--分别为实验室条件和现场工作条件下的仪表系数;
   Et--温度修正系数;
   ER--雷诺数修正系数;
   ED--管径修正系数。
  其余符号同前。
  温度修正系数Et
          Et=1/[1+(2αb+αx)(t-to)] (18)
式中 αb,αx--分别为传感器表体和旋涡发生体的材料线膨胀系数,(oC·mm)-1;
   t,to--分别为工作温度和校验温度,oC。
  雷诺数修正系数ER
  在扩大测量范围使用时,当测量超出规定的下限雷诺数时,应对仪表系数进行雷诺数修正,表6是某厂提供的数据(由于旋涡发生体未标准化,各插关内数据可能有差异)。

表6 雷诺数修正系数ER
 

雷诺数范围
ER
雷诺数范围
ER
5×103<Re<6×103
6×103<Re<7×103
7×103<Re<8×103
8×103<Re<9×103
1.12
1.08
1.065
1.065
9×103<Re<104
104<Re<1.2×104
1.2×104<Re<1.5×104
1.5×104<Re<4×104
1.047
1.036
1.023
1.011

  管径修正系数ED
  配管直径应符合规定范围,这时对配管与传感器表体内径的实际偏差可用管径修正系数ED修正之。
              ED=(DN/D)2                     (19)
式中 DN--传感器表体实际内径,mm;
  D--配管内径,mm。

 

 

⑸ 故障现象、原因及排除方法

  VSF有多种检测方式,传感器和测量电路差别也较大,但仪表常见的故障有共性,现列举若干仪表故障及其对策如表7所示。


表7 故障处理
 

故障现象
可能原因
处理方法
通电后无流量时有输出信号
1)输入屏蔽或接地不良,引入电磁干扰
2)仪表靠近强电设备或高频脉冲干扰源

3)管道有较强振动

4)转换器灵敏度过高
1)改善屏蔽与接地,排除电磁干扰
2)远离干扰源安装,采取隔离措施加强电源滤波
3)采取减震措施,加强信号滤波降低放大器灵敏度
4)降低灵敏度,提高触发电平
通电通流后无输出信号
1)电源出故障
2)输入信号线断线
3)放大器某级有故障
4)检测元件损坏

5)无流量或流量过小
6)管道堵塞或传感器被卡死
1)检查电源与接地
2)检查信号线与接线端子
3)检测工作点,检查元器件
4)检查传感元件及引线,检查阀门,增大流量或缩小管径
5)检查清理管道,清洗传感器
 
输出信号不规则不稳定
1)有较强电干扰信号
2)传感器被沾污或受潮,灵敏度降低
3)传感器灵敏度过高
4)传感器受损或引线接触不良
5)出现两相流或脉动流

6)管道震动的影响
7)工艺流程不稳定
8)传感器安装不同心或密封垫凸入管内
9)上下游阀门扰动
10)流体未充满管道
11)发生体有缠绕物
12)存在气穴现象
1)加强屏蔽和接地
2)清洗或更换传感器,提高放大器增益
3)降低增益,提高触发电平
4)检查传感器及引线
5)加强工艺流程管理,消除两相流或脉动流现象
6)采取减震措施
7)调整安装位置
8)检查安装情况,改正密封垫内径
9)加长直管段或加装流动调整器
10)更换装流量传感器地点和方式
11)消除缠绕物
12)降低流速,增加管内压力
测量误差大
1)直管段长度不足
2)模拟转换电路零漂或满量程调整不对
3)供电电压变化过大
4)仪表超过检定周期
5)传感器与配管内径差异较大
6)安装不同心或密封垫凸入管内
7)传感器沾污或损伤
8)有两相流或脉动流
9)管道泄漏
1)加长直管段或加装流动调整器
2)校正零点和量程刻度
3)检查电源
4)及时送检
5)检查配管内径,修正仪表系数
6)调整安装,修整密封垫
7)清洗更换传感器
8)排除两相流或脉动流
9)排除泄漏
测量管泄漏
1)管内压力过高
2)公称压力选择不对
3)密封件损坏
4)传感器被腐蚀
1)调整管压,更改安装位置
2)选用高一档公称压力传感器
3)更换密封件
4)采取防腐和保护措施
传感器发出异常啸叫声
1)流速过高,引起强烈颤动
2)产生气穴现象
3)发生体松动
1)调整流量或更换通径大的仪表
2)调整流量和增加液流压力
3)紧固发生体

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