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渦街流量計在工程應用中所暴露的某些問題及對策
本文根據現場應用渦街流量計的經驗,詳細論述了其在工程應用中應注意的問題以及解決問題的措施,爲正確使用渦街流量計提供了科學依據。
  *早的實用化渦街流量計是由日本横河电机(YOKOGAWA)在1969年制造出来的,随后,世界上许多大公司纷纷推出自己各具特色的渦街流量計,众所周知,渦街流量計有许多无可比拟的优点,但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。
  二渦街流量計工程应用问题及对策
  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、超声波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
  压电应力式渦街流量計以YOKOGAWA的YF100E、Rosemount的8800A、F+P的VT/VR型为代表。
  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佳豪娱乐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超声波渦街流量計——真正的抗三维振动渦街流量計
  超声波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)。
  利用超声波作为检测元件的渦街流量計是将超声波发射源和超声波接收器按一定位置安装在壳体外,如图6。当漩涡通过超声波线束时,接收器接收到的超声波线束速度发生变化,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、超声波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,而超声波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,选用超声波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、压电应力式和超声波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超声波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,则可能损坏超声波探头。另一方面,超声波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,超声波不易穿过,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超声波起到慢反射或吸收作用,也影响测量的准确性。
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