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本文根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用渦街流量計的經(jīng)驗,詳細論述了其在工程應(yīng)用中應(yīng)注意的問題以及解決問題的措施,為正確使用渦街流量計提供了科學依據(jù)。

　　*早的實用化渦街流量計是由日本橫河電機(YOKOGAWA)在1969年制造出來的,隨后,世界上許多大公司紛紛推出自己各具特色的渦街流量計,渦街流量計有許多優(yōu)點,但在工業(yè)應(yīng)用中并不十分普遍,顯然,并不是由于它的技術(shù)水平還沒有達到令人滿意的程度,而是由于用戶在選擇和應(yīng)用渦街流量計時缺乏應(yīng)有的應(yīng)用經(jīng)驗,在設(shè)計、選型、安裝時考慮問題過于簡單化了,正是基于以上理由,本文著重討論渦街流量計工業(yè)應(yīng)用中應(yīng)注意的問題及對策。

　　二渦街流量計工程應(yīng)用問題及對策

　　1渦街流量計抗管道振動和流體振動問題

　　振動問題是衡量一臺渦街流量計工業(yè)應(yīng)用好壞的一個重要指標。目前,很多工業(yè)用戶之所以對渦街流量計的應(yīng)用失去信心,在很大程度上是由于振動因素影響。工業(yè)中的振動是普遍存在的,目前較先進的渦街流量計都有一定的抗振動能力,對于一般的工業(yè)振動大部分都能消除。一般的工業(yè)振動頻率大都在幾赫到幾千赫,渦街流量計的漩渦頻率正好落在這個范圍之內(nèi),

　　本文以電容式、壓電式、超聲波式渦街流量計為例來說明其抗振性問題。

　　1.1電容式渦街流量計抗振動問題

　　電容式渦街流量計以E + H公司生產(chǎn)的Prowirl70為代表,它采用差動開關(guān)電容(DSC)傳感器,用來檢測漩渦壓力脈沖,差動電容結(jié)構(gòu)如圖1所示:

　　抗管道振動和流體振動能力:當振動方向在縱向(順流向)或與漩渦發(fā)生體軸線相平行的方向振動時,由振動所產(chǎn)生的慣性力同時作用在振動體及電極上,使振動體都在同方向產(chǎn)生撓曲變形,由于設(shè)計時保證了振動體與電極幾何結(jié)構(gòu)與尺寸相匹配,使它們的變形量一致,差動信號輸出為0,從而使這兩個方向上的振動所產(chǎn)生的影響基本消除了。

　　但是,抗橫向(與漩渦升力方向一致)振動能力仍然很弱,因為在某一時刻,往復振動只在一個方向上對振動套筒發(fā)生應(yīng)力,如果振動明顯,必然在輸出信號上迭加振動分量,使輸出信號偏離真實值。電容式渦街流量計在頻率范圍為1～500Hz的縱向以及與發(fā)生體軸線相平行的方向的任何振動以及高達1g振動加速度沖擊基本能夠消除,所以本流量計具有二維方向的抗振動補償功能。

　　1.2壓電應(yīng)力式渦街流量計抗振動問題

　　壓電應(yīng)力式渦街流量計以YOKOGAWA的YF100E、Rosemount的8800A、F+P的VT/VR型為代表。

　　1.2.1 YOKOGAWA的YF100E的抗振動設(shè)計

　　YOKOGAWA的YF100E采用兩片圓形壓電元件,它們上、下封裝在漩渦發(fā)生體內(nèi)部(不與流體直接接觸),以此來感受漩渦升力和振動應(yīng)力。每片壓電元件沿中性面分割成兩個對稱的半圓,分別處于中性面的兩邊,且極化方向相反。兩片壓電元件采用并聯(lián)方式,每片壓電元件的兩半片組成一個電極,兩電極從上下兩片極性相反的電荷而引出。三個不同方向的振動力產(chǎn)生的電荷信號極性如圖2所示:

　　a振動方向與漩渦升力方向相同。此方向上的振動噪聲不能*消除。

　　b振動方向與流體方向相同。此方向上的振動不能產(chǎn)生噪聲信號。

　　c振動方向與發(fā)生體軸向平行。此方向上的振動不能產(chǎn)生噪聲信號。

　　由此可見,YF100E同樣能抗二維振動(流動方向上及與發(fā)生體軸向平行的方向上),但抗橫向振動(升力方向)能力仍然較弱。

　　1.2.2　F+P的VT/VR抗振動設(shè)計

　　F+P渦街流量計采用對稱差動傳感器設(shè)計消除振動影響,即用四只壓電敏感元件構(gòu)成渦街傳感器,以安裝法蘭為中心,兩對反并聯(lián)壓電元件封裝在上、下對稱部位,每對壓電元件又以中性面為中心,分置中性面兩側(cè),如圖3,當振動作用在X方向或Z方向時,四只壓電元件產(chǎn)生電荷相互抵消,如圖4,起到了X方向及Z方向的振動補償功能。當漩渦升力交替作用在Y方向上時,只有中性面下兩片壓電晶體產(chǎn)生差動電荷信號,如圖5,由于兩片壓電片為并聯(lián)方式,所以輸出信號加倍。

　　當振動信號作用在Y方向時,顯然振動信號迭加到漩渦升力上,此方向的振動仍不能克服。

　　由此可見,此傳感器結(jié)構(gòu)具有抗X方向, Z方向二維振動能力,對Y方向的振動干擾的能力很弱。Rosemount 8800A智能渦街流量計采用質(zhì)量平衡結(jié)構(gòu)從機械上消除管道振動(或流體振動)影響,與YF100E相似,它只能克服流動方向及與漩渦發(fā)生體相平行方向的振動,而對升力方向上的振動仍然無法*克服。

　　總之,壓電式渦街流量計具有二維方向(順流向和漩渦發(fā)生體相平行方向)抗振動能力,無論如何,它抗升力方向上的振動仍然是很弱的。

　　1.3超聲波渦街流量計——真正的抗三維振動渦街流量計

　　超聲波渦街流量計目前成熟產(chǎn)品的廠家有日本OVAL公司(氣體),東機工公司(液體),橫河電機的UYF (液體)。

　　利用超聲波作為檢測元件的渦街流量計是將超聲波發(fā)射源和超聲波接收器按一定位置安裝在殼體外,如圖6。當漩渦通過超聲波線束時,接收器接收到的超聲波線束速度發(fā)生變化,檢測速度變化的頻率作為漩渦的頻率信號,通過電子線路處理輸出能夠遠傳的信號。由于避開了檢測漩渦升力的方法,故它有別于壓電應(yīng)力式、電容式渦街檢測方法,即使配管振動和流體振動在各部位產(chǎn)生應(yīng)力,也不會產(chǎn)生敏感的噪聲信號,故獲得本質(zhì)上的高抗振性,而其測量精度和結(jié)構(gòu)尺寸等指標也與其它渦街流量計相似,本流量計具有良好的抗三維振動能力,抗振動加速度達3g以上。

　　綜上所述,電容式、壓電應(yīng)力式、超聲波式渦街流量計都有較好的抗振動能力,是目前市場上比較*的品種。電容式和壓電應(yīng)力式只能抗二維振動,而超聲波具有抗三維振動能力。因此,在一般場合,小于1g振動加速度,振動頻率小于500HZ、振幅<2.1mm(用手摸有強烈的振感,有握不住的感覺),三種流量計都能滿足要求,但在振動特別強烈的場合,或有升力方向振動的場合,選用超聲波渦街流量計則是比較合適的。

　　必須特別指出,由于振動加速度是振幅和振動頻率的函數(shù),管道振幅小,振動加速度小;振動頻率小,加速度亦小,反之亦然。管道支撐只能減小振幅,但不能減少振動頻率。因此,在選擇流量計安裝位置時,振動頻率是一個不可忽視的因素。好在一般工業(yè)頻率都比較低(從幾赫到幾千赫),只要振幅不是太大,以上幾種型式的渦街流量計均可以滿足要求。同一種尺寸的渦街流量計,用在液體上的抗振動能力比用在氣體上強,這是由于氣體密度小,所產(chǎn)生漩渦升力較小的緣故。同樣,用在大流量上比用在小流量計抗振性強,因為大流量產(chǎn)生的漩渦比小流量更強烈。因此,根據(jù)介質(zhì)密度和流量選擇渦街流量計時要加以注意。

　　必須特別注意抗二維振動的渦街流量計的安裝,如果水平安裝的渦街流量計其振動干擾方向是與漩渦發(fā)生體相平行的方向,(此方向的振動是可以消除的),但是,當將渦街流量計轉(zhuǎn)過90度,則與漩渦發(fā)生體相平行的方向上的振動對渦街流量計來說則變?yōu)樯Ψ较虻恼駝恿?會產(chǎn)生明顯的振動干擾信號,這是*不允許的。很多渦街流量計廠家說明書聲稱其流量計可以任意角度安裝,恐怕此種說法欠妥。除非系統(tǒng)沒有任何振動或振動干擾很弱,在這種情況下是可以任意角度安裝的,否則,應(yīng)避免振動方向與漩渦升力方向相一致的安裝。

　　2　渦街流量計的選用問題

　　渦街流量計的選用要結(jié)合工藝介質(zhì)的特點、流量計的性能、經(jīng)濟性、安裝及環(huán)境五個方面來考慮。一般專業(yè)技術(shù)人員在選用渦街流量計時大都考慮了這五個方面的因素,在此不再贅述。需要特別指出的是,對于電容式、壓電應(yīng)力式和超聲波式渦街流量計在選擇時還要注意以下問題:

　　2.1對于介質(zhì)中含有粉塵和固體顆粒或懸浮物的流體不易選擇電容式渦街流量計。因為在漩渦發(fā)生體兩側(cè)有兩個導壓小孔,容易堵塞。例如,本體法生產(chǎn)聚丙烯,其循環(huán)丙烯中含有聚丙烯粉末,選用電容式渦街流量計則引起了導壓孔堵塞,使信號輸出為0。凡是帶有導壓小孔的其它渦街流量計具有相似的情況,如Eestech公司生產(chǎn)的熱(磁)敏式渦街流量計。

　　2.2渦街流量計的選擇不僅要考慮被測介質(zhì)的溫度,還要考慮檢修吹掃管線時吹掃介質(zhì)的溫度,這一點常常容易忽視。渦街流量計的被測介質(zhì)溫度可能是常溫,但是在檢修時需要用蒸汽吹掃管線,蒸汽的溫度在150℃以上,如果選型時只考慮到介質(zhì)的溫度而選擇適用溫度范圍低的渦街流量計,在檢修吹掃管線時,就有可能損壞敏感元件。

　　2.3超聲波渦街流量計雖然抗振性強,但適用溫度范圍不如電容式和壓電應(yīng)力式寬,一般不超過200℃,如果被測溫度超出此范圍,則可能損壞超聲波探頭。另一方面,超聲波流量計不易用在含有過多氣泡的液體或含有雜質(zhì)的液體測量中。因為含有過多氣泡的液體,超聲波不易穿過,可能造成測量上的困難甚至不可能測量。液體中含有異物會對超聲波起到慢反射或吸收作用,也影響測量的準確性。

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