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如何提升渦街流量計抗振动能力

來源:江蘇創輝自動化儀表有限公司 時間:2019-11-07
渦街流量計是一种在流量测量领域较常见的仪表,相比较于其他流量计,它有着无可比拟的优点,其产品优点主要表现为以下几个方面:1)渦街流量計无可动部件,测量元件结构简单,性能可靠,使用寿命长。2)渦街流量計测量范围宽。量程比一般能达到1:10。3)渦街流量計的体积流量不受被测流体的温度、压力、密度或粘度等热工参数的影响。一般不需单独标定。它可以测量液体、气体或蒸汽的流量。4)它造成的压力损失小。5)准确度较高,重复性为0.5%,且维护量小。但渦街流量計在工业应用中并不十分普遍,显然,并不是由于它的技术水平还没有达到令人满意的程度,而是由于用户在选择和应用渦街流量計时缺乏应有的应用经验,在设计、选型、安装时考虑问题过于简单化了,正是基于以上理由,本文着重讨论渦街流量計工业应用中应注意的问题及对策,为正确使用渦街流量計提供了科学依据。
  1  渦街流量計抗管道振动和流体振动问题
  振动问题是衡量一台渦街流量計工业应用好坏的一个重要指标。目前,很多工业用户之所以对渦街流量計的应用失去信心,在很大程度上是由于振动因素影响。工业中的振动是普遍存在的,目前较先进的渦街流量計都有一定的抗振动能力,对于一般的工业振动大部分都能消除。一般的工业振动频率大都在几赫到几千赫,渦街流量計的漩涡频率正好落在这个范围之内,
本文以电容式、压电式、式渦街流量計为例来说明其抗振性问题。
  1.1电容式渦街流量計抗振动问题
  电容式渦街流量計以E + H公司生产的Prowirl70为代表,它采用差动开关电容(DSC)传感器,用来检测漩涡压力脉冲,差动电容结构如图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)或與漩渦發生體軸線相平行的方向振動時,由振動所産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産生撓曲變形,由于設計時保證了振動體與電極幾何結構與尺寸相匹配,使它們的變形量一致,差動信號輸出爲0,從而使這兩個方向上的振動所産生的影響基本消除了。
但是,抗横向(与漩涡升力方向一致)振动能力仍然很弱,因为在某一时刻,往复振动只在一个方向上对振动套筒发生应力,如果振动明显,必然在输出信号上迭加振动分量,使输出信号偏离真实值。电容式渦街流量計在频率范围为1~500Hz的纵向以及与发生体轴线相平行的方向的任何振动以及高达1g振动加速度冲击基本能够消除,所以本流量计具有二维方向的抗振动补偿功能。
  1.2压电应力式渦街流量計抗振动问题
  壓電應力式渦街流量計以YOKOGAWA的YF100E、Rosemount的8800A、F+P的VT/VR型爲代表。
  1.2.1 YOKOGAWA的YF100E的抗振动设计
  YOKOGAWA的YF100E采用兩片圓形壓電元件,它們上、下封裝在漩渦發生體內部(不與流體直接接觸),以此來感受漩渦升力和振動應力。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。兩片壓電元件采用並聯方式,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産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完全消除。
  b振動方向與流體方向相同。此方向上的振動不能産生噪聲信號。
  c振動方向與發生體軸向平行。此方向上的振動不能産生噪聲信號。
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抗振動設計
  F+P渦街流量計采用对称差动传感器设计消除振动影响,即用四只压电敏感元件构成涡街传感器,以安装法兰为中心,两对反并联压电元件封装在上、下对称部位,每对压电元件又以中性面为中心,分置中性面两侧,如图3,当振动作用在X方向或Z方向时,四只压电元件产生电荷相互抵消,如图4,起到了X方向及Z方向的振动补偿功能。当漩涡升力交替作用在Y方向上时,只有中性面下两片压电晶体产生差动电荷信号,如图5,由于两片压电片为并联方式,所以输出信号加倍。
  當振動信號作用在Y方向時,顯然振動信號叠加到漩渦升力上,此方向的振動仍不能克服。
  由此可见,此传感器结构具有抗X方向, Z方向二维振动能力,对Y方向的振动干扰能力很弱。Rosemount 8800A智能渦街流量計采用质量平衡结构从机械上消除管道振动(或流体振动)影响,与YF100E相似,它只能克服流动方向及与漩涡发生体相平行方向的振动,而对升力方向上的振动仍然无法彻底克服。
总之,压电式渦街流量計具有二维方向(顺流向和漩涡发生体相平行方向)抗振动能力,无论如何,它抗升力方向上的振动仍然是很弱的。
  1.3渦街流量計——真正的抗三维振动渦街流量計
  渦街流量計目前成熟产品的厂家有日本OVAL公司(气体),东机工公司(液体),横河电机的UYF (液体)。
利用作为检测元件的渦街流量計是将发射源和接收器按一定位置安装在壳体外,如图6。当漩涡通过线束时,接收器接收到的线束速度发生变化,检测速度变化的频率作为漩涡的频率信号,通过电子线路处理输出能够远传的信号。由于避开了检测漩涡升力的方法,故它有别于压电应力式、电容式涡街检测方法,即使配管振动和流体振动在各部位产生应力,也不会产生敏感的噪声信号,故获得本质上的高抗振性,而其测量精度和结构尺寸等指标也与其它渦街流量計相似,本流量计具有良好的抗三维振动能力,抗振动加速度达3g以上。
综上所述,电容式、压电应力式、式渦街流量計都有较好的抗振动能力,是目前市场上比较的品种。电容式和压电应力式只能抗二维振动,而具有抗三维振动能力。因此,在一般场合,小于1g振动加速度,振动频率小于500HZ、振幅<2.1mm(用手摸有强烈的振感,有握不住的感觉),三种流量计都能满足要求,但在振动特别强烈的场合,或有升力方向振动的场合,选用渦街流量計则是比较合适的。
必须特别指出,由于振动加速度是振幅和振动频率的函数,管道振幅小,振动加速度小;振动频率小,加速度亦小,反之亦然。管道支撑只能减小振幅,但不能减少振动频率。因此,在选择流量计安装位置时,振动频率是一个不可忽视的因素。好在一般工业频率都比较低(从几赫到几千赫),只要振幅不是太大,以上几种型式的渦街流量計均可以满足要求。同一种尺寸的渦街流量計,用在液体上的抗振动能力比用在气体上强,这是由于气体密度小,所产生漩涡升力较小的缘故。同样,用在大流量上比用在小流量计抗振性强,因为大流量产生的漩涡比小流量更强烈。因此,根据介质密度和流量选择渦街流量計时要加以注意。
必须特别注意抗二维振动的渦街流量計的安装,如果水平安装的渦街流量計其振动干扰方向是与漩涡发生体相平行的方向,(此方向的振动是可以消除的),但是,当将渦街流量計转过90度,则与漩涡发生体相平行的方向上的振动对渦街流量計来说则变为升力方向的振动了,会产生明显的振动干扰信号,这是不允许的。很多渦街流量計厂家说明书声称其流量计可以任意角度安装,恐怕此种说法欠妥。除非系统没有任何振动或振动干扰很弱,在这种情况下是可以任意角度安装的,否则,应避免振动方向与漩涡升力方向相一致的安装。
  2 渦街流量計的选用问题
渦街流量計的选用要结合工艺介质的特点、流量计的性能、经济性、安装及环境五个方面来考虑。一般专业技术人员在选用渦街流量計时大都考虑了这五个方面的因素,在此不再赘述。需要特别指出的是,对于电容式、压电应力式和式渦街流量計在选择时还要注意以下问题:
2.1对于介质中含有粉尘和固体颗粒或悬浮物的流体不易选择电容式渦街流量計。因为在漩涡发生体两侧有两个导压小孔,容易堵塞。例如,本体法生产聚丙烯,其循环丙烯中含有聚丙烯粉末,选用电容式渦街流量計则引起了导压孔堵塞,使信号输出为0。凡是带有导压小孔的其它渦街流量計具有相似的情况,如Eestech公司生产的热(磁)敏式渦街流量計。
2.2渦街流量計的选择不仅要考虑被测介质的温度,还要考虑检修吹扫管线时吹扫介质的温度,这一点常常容易忽视。渦街流量計的被测介质温度可能是常温,但是在检修时需要用蒸汽吹扫管线,蒸汽的温度在150℃以上,如果选型时只考虑到介质的温度而选择适用温度范围低的渦街流量計,在检修吹扫管线时,就有可能损坏敏感元件。
 
2.3渦街流量計虽然抗振性强,但适用温度范围不如电容式和压电应力式宽,一般不超过200℃,如果被测温度超出此范围,则可能损坏探头。另一方面,流量计不易用在含有过多气泡的液体或含有杂质的液体测量中。因为含有过多气泡的液体,不易穿过,可能造成测量上的困难甚至不可能测量。液体中含有异物会对起到慢反射或吸收作用,也影响测量的准确性。
2.4在使用状态下,如果被测介质有明显的脉动,如罗茨风机、压缩机出口流量,则不易选择渦街流量計。因为渦街流量計对小流量敏感度很高,在这种场合使用,会使输出信号不稳定而失真。
2.5在液体中混有大量气泡的场合,不易选用各种渦街流量計。
  3 渦街流量計的安装问题
  渦街流量計的安装要考虑流量计的定位、液体流向、上游及下游直管段长度、配管直径、环境影响(温度、电磁幅射、腐蚀等)、振动情况、阀门的安装、管道支撑等因素。一般要求流量计口径和配管直径一致且同心,上游直管段长度通常取决于上游阻力件(缩管、扩管、弯头、阀门)形式,一般上游直管段长度要保证20D,下游为5D。当上游阻力件为闸阀或截止阀时,必须保证上游直管的长度不少于40D。流量计的安装地点要避开高温、腐蚀、电磁幅射、振源,当振动强烈时还应考虑加支撑以减少振幅的影响。在把渦街流量計用于控制回路测量时,推荐把流量计装在调节阀的下游测。
  通常爲了避免振動或不可預知的原因,在流量計上遊側安裝節流圈、膨脹段或儲罐,以部分吸收流體的振動和沖擊,這在控制回路中尤爲重要。另外,當預知某一方向振動後,應避免將流量計安裝在漩渦升力方向與振動方向一致的地方,這點特別引起注意!
       渦街流量計处于水平管道安装时,应使探头处在水平管道两侧的中间位置(即漩涡发生体处于上下垂直位置)。这样做的理由在于,气泡易于集聚在管道的上方,大的异物则沿管道底部流动,它们都将妨碍穿过。这种安装方式,有效避免了以上现象的出现,给测量带来好处。
  4 适用介质问题
一般渦街流量計可以测量气体、液体和蒸汽介质流量,但由于各种介质特性千差万别,传感器结构形式各异,其适应性也不同。压电应力式和电容式渦街流量計应用范围较广,但在测量低密度(如H2)和低流速气体时,由于受到漩涡能量的限制,发生漩涡不强烈,信号比较低;电容式渦街流量計由于存在两个导压小孔,不易测量脏物介质流;渦街流量計虽然能测量低流速介质流量(>0.2m/s),但对脉动流比较敏感;热敏式渦街流量計灵敏度高,适宜于低温(<120℃)低密度气体测量,但因热敏电阻用玻璃封装、机械强度低。另外,当检测元件被流体污垢,检测灵敏度降低,甚至无信号输出,所以要针对不同介质的特点,选择合适的流量计。
  5 高温介质测量问题
  很明显,渦街流量計由超声探头不能耐高温,因此,它不能用于高温介质测量,它目前的测温上限达200℃(YOKOGAWA UYF)。压电式渦街流量計的测温上限一般不超过300℃,但超过300℃,压电元件长期处在高温下,其传感器的绝缘阻抗急剧下降,输出信号变小,低频特性恶化,抗干扰能力大为降低。这是由于压电晶体多为锆钛酚铅系列压电陶瓷(PZT),它的居里点(失去压电效应的温度)较低,只有300℃。另外压电陶瓷除具有压电性能外,还具有热释电性(即温度变化也将引起电荷变化),在高温下,热输出是一个非常讨厌的噪声源。相对来说,电容式渦街流量計具有较好的高温测量能力,它的测温上限达400℃。电容检测元件有很好的耐高温性能。
另外,无论哪一种渦街流量計,当其用于高温测量时,由于温度变化使流量计的流通截面积发生变化,因此,必须对流量系数做修正
        6 介质温度、压力变化场合应用问题
由于渦街流量計测量的是流过管道流体的体积流量,当流体温度、压力变化频繁时,必然引起密度发生变化,因此,必须对测量结果进行修正。这通常要借助于智能仪表或计算机,内藏温度或压力补偿公式,压力测量点和温度测量点选在流量计下游2D~7D的地方。
  7 管道内径D与流量计口径d的匹配问题
  保证管道内径与流量计口径相同是制造厂家对用户使用渦街流量計的基本要求。但实际应用表明,由于国外制造厂家流量计口径标准不一,如DIN (德国标准)、JIS (日本标准)、ANSI (美国标准),这些标准的管道内径与我国GB标准管道内径在同一公称通径下存在差异。另外,公称通径相同时,由于压力等级要求不一样,管子的壁厚也不一样。如英制管SCH40、SCH80两种管号在同一公称通径下其内径不同。用户在选择和安装渦街流量計时常常忽视管径匹配问题,因而,容易引起附加误差。
總之,應盡量選擇合適的管道內徑使之與流量計口徑相一致,這樣可以避免因管徑異變帶來的誤差。
  8 渦街流量計代替孔板差压流量计问题。
  孔板流量計在目前流量测量家族中占有重要地位,它是工业生产中使用广泛的一种流量计。渦街流量計是后起之秀,由于它有许多无可比拟的优点,它的出现对孔板流量計产生了强有力的冲击,但两种流量计各有特点,文献[4]对这两种流量计的性能做了详细评价,在许多场合用渦街流量計代替孔板流量計是适用的,但是在一些场合,渦街流量計无法取代孔板流量計。在一些特殊场合使用孔板比渦街流量計要好。在其他大部分场合,完全可用渦街流量計来代替孔板流量計测量流量。
       9 渦街流量計日前需要解决的问题
渦街流量計在工程应用中所暴露的某些问题,迫使各生产厂家发展更为实用和完美的渦街流量計,这要依赖于新技术、新工艺、新材料的发展。
1采用全数字化现场总线(fieldbus)技术。目前的渦街流量計所采用的HART通讯协议是一种过渡产品,并不代表现场仪表的发展方向。HART协议是一种4~20mA模拟信号与数字通讯信号兼容的标准,它采用频移键控(FSK)技术,在4~20mA的模拟信号上叠加幅度为0.5mA的正弦调制波,以频率为1200HZ和2200HZ的正弦电流信号代表1和0,通讯信号只用于传递辅助信息和诊断信息。由于所叠加的正弦波信号平均值为0,所以数字通讯信号不会干扰4~20mA模拟信号。采用现场总线技术后,传递信号完全实现了全数字化,省去了A/D (或D/A)转换环节,避免了模数转换误差,精度进一步提高。另一方面,由于内藏CPU,可实现多种控制算法,从而可实现就地调节,省略了调节器以及大量电缆。因此,带有现场总线技术的渦街流量計,前景不可估量。
2采用數字動態濾波器,隨時跟蹤渦街信號頻率,既使在十分惡劣的應用環境中仍能提供高分辨率的信號,明顯優于傳統的低通和高通濾波器。
3采用先進的傳感器結構,消除任何方向的抗振動幹擾,真正實現抗三維方向的振動流量計。
4敏感元件完全不與流體接觸,可在出現故障時隨時更換,方便拆卸。
5省去外供電,內藏高能電池,在任何不易提供電源的地方也能方便使用。
6实现真正的广义通用性,渦街流量計的电路板及敏感元件完全通用,节省备件数量,而且一台渦街流量計既能测量不同温度下的液体流量,也能测量气体和蒸汽流量。
7無空洞設計,避免髒物介質的堵塞,敏感元件布置在管外,全焊接結構表體,從而消除任何儀表泄漏。
8實現真正質量流量測量,發生體內藏溫度元件和壓力元件,可對流體溫度和壓力的變化而引起密度的變化實現自動校正。
9無需標定,一個出廠的K系數可保持長期穩定。
10溫度範圍進一步拓寬,允許測量更多的過程介質。
  渦街流量計目前的技术水平已发展到可在控制回路中较好地应用。但是,由于所处环境、工艺介质及管路系统等复杂性,真正应用好渦街流量計,还需要广大用户在实践中不断摸索。可以相信,随着制造工艺、新材料和微处理技术的发展,新一代的渦街流量計必将展示出更加优异的性能。为越来越多的用户所接受,未来的流量测量领域,渦街流量計必将占有重要的一环。
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