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本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用渦街流量計(jì)的經(jīng)驗(yàn),詳細(xì)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(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。

　　*早的實(shí)用化渦街流量計(jì)是由日本橫河電機(jī)(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(jì),渦街流量計(jì)有許多優(yōu)點(diǎn),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(dá)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(jì)時(shí)缺乏應(yīng)有的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),在設(shè)計(jì)、選型、安裝時(shí)考慮問題過于簡(jiǎn)單化了,正是基于以上理由,本文著重討論渦街流量計(jì)工業(yè)應(yīng)用中應(yīng)注意的問題及對(duì)策。

　　二渦街流量計(jì)工程應(yīng)用問題及對(duì)策

　　1渦街流量計(jì)抗管道振動(dòng)和流體振動(dòng)問題

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

　　本文以電容式、壓電式、超聲波式渦街流量計(jì)為例來說明其抗振性問題。

　　1.1電容式渦街流量計(jì)抗振動(dòng)問題

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

　　抗管道振動(dòng)和流體振動(dòng)能力:當(dāng)振動(dòng)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(dòng)時(shí),由振動(dòng)所產(chǎn)生的慣性力同時(shí)作用在振動(dòng)體及電極上,使振動(dòng)體都在同方向產(chǎn)生撓曲變形,由于設(shè)計(jì)時(shí)保證了振動(dòng)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(dòng)信號(hào)輸出為0,從而使這兩個(gè)方向上的振動(dòng)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(dòng)能力仍然很弱,因?yàn)樵谀骋粫r(shí)刻,往復(fù)振動(dòng)只在一個(gè)方向上對(duì)振動(dòng)套筒發(fā)生應(yīng)力,如果振動(dòng)明顯,必然在輸出信號(hào)上迭加振動(dòng)分量,使輸出信號(hào)偏離真實(shí)值。電容式渦街流量計(jì)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(dòng)以及高達(dá)1g振動(dòng)加速度沖擊基本能夠消除,所以本流量計(jì)具有二維方向的抗振動(dòng)補(bǔ)償功能。

　　1.2壓電應(yīng)力式渦街流量計(jì)抗振動(dòng)問題

　　壓電應(yīng)力式渦街流量計(jì)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(dòng)設(shè)計(jì)

　　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(dòng)應(yīng)力。每片壓電元件沿中性面分割成兩個(gè)對(duì)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(gè)電極,兩電極從上下兩片極性相反的電荷而引出。三個(gè)不同方向的振動(dòng)力產(chǎn)生的電荷信號(hào)極性如圖2所示:

　　a振動(dòng)方向與漩渦升力方向相同。此方向上的振動(dòng)噪聲不能*消除。

　　b振動(dòng)方向與流體方向相同。此方向上的振動(dòng)不能產(chǎn)生噪聲信號(hào)。

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

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

　　1.2.2　F+P的VT/VR抗振動(dòng)設(shè)計(jì)

　　F+P渦街流量計(jì)采用對(duì)稱差動(dòng)傳感器設(shè)計(jì)消除振動(dòng)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(duì)反并聯(lián)壓電元件封裝在上、下對(duì)稱部位,每對(duì)壓電元件又以中性面為中心,分置中性面兩側(cè),如圖3,當(dāng)振動(dòng)作用在X方向或Z方向時(shí),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(dòng)補(bǔ)償功能。當(dāng)漩渦升力交替作用在Y方向上時(shí),只有中性面下兩片壓電晶體產(chǎn)生差動(dòng)電荷信號(hào),如圖5,由于兩片壓電片為并聯(lián)方式,所以輸出信號(hào)加倍。

　　當(dāng)振動(dòng)信號(hào)作用在Y方向時(shí),顯然振動(dòng)信號(hào)迭加到漩渦升力上,此方向的振動(dòng)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(dòng)能力,對(duì)Y方向的振動(dòng)干擾的能力很弱。Rosemount 8800A智能渦街流量計(jì)采用質(zhì)量平衡結(jié)構(gòu)從機(jī)械上消除管道振動(dòng)(或流體振動(dòng))影響,與YF100E相似,它只能克服流動(dòng)方向及與漩渦發(fā)生體相平行方向的振動(dòng),而對(duì)升力方向上的振動(dòng)仍然無法*克服。

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

　　1.3超聲波渦街流量計(jì)——真正的抗三維振動(dòng)渦街流量計(jì)

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

　　利用超聲波作為檢測(cè)元件的渦街流量計(jì)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(dāng)漩渦通過超聲波線束時(shí),接收器接收到的超聲波線束速度發(fā)生變化,檢測(cè)速度變化的頻率作為漩渦的頻率信號(hào),通過電子線路處理輸出能夠遠(yuǎn)傳的信號(hào)。由于避開了檢測(cè)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(cè)方法,即使配管振動(dòng)和流體振動(dòng)在各部位產(chǎn)生應(yīng)力,也不會(huì)產(chǎn)生敏感的噪聲信號(hào),故獲得本質(zhì)上的高抗振性,而其測(cè)量精度和結(jié)構(gòu)尺寸等指標(biāo)也與其它渦街流量計(jì)相似,本流量計(jì)具有良好的抗三維振動(dòng)能力,抗振動(dòng)加速度達(dá)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(jì)都有較好的抗振動(dòng)能力,是目前市場(chǎng)上比較*的品種。電容式和壓電應(yīng)力式只能抗二維振動(dòng),而超聲波具有抗三維振動(dòng)能力。因此,在一般場(chǎng)合,小于1g振動(dòng)加速度,振動(dòng)頻率小于500HZ、振幅<2.1mm(用手摸有強(qiáng)烈的振感,有握不住的感覺),三種流量計(jì)都能滿足要求,但在振動(dòng)特別強(qiáng)烈的場(chǎng)合,或有升力方向振動(dòng)的場(chǎng)合,選用超聲波渦街流量計(jì)則是比較合適的。

　　必須特別指出,由于振動(dòng)加速度是振幅和振動(dòng)頻率的函數(shù),管道振幅小,振動(dòng)加速度小;振動(dòng)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(dòng)頻率。因此,在選擇流量計(jì)安裝位置時(shí),振動(dòng)頻率是一個(gè)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(jì)均可以滿足要求。同一種尺寸的渦街流量計(jì),用在液體上的抗振動(dòng)能力比用在氣體上強(qiáng),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(jì)抗振性強(qiáng),因?yàn)榇罅髁慨a(chǎn)生的漩渦比小流量更強(qiáng)烈。因此,根據(jù)介質(zhì)密度和流量選擇渦街流量計(jì)時(shí)要加以注意。

　　必須特別注意抗二維振動(dòng)的渦街流量計(jì)的安裝,如果水平安裝的渦街流量計(jì)其振動(dòng)干擾方向是與漩渦發(fā)生體相平行的方向,(此方向的振動(dòng)是可以消除的),但是,當(dāng)將渦街流量計(jì)轉(zhuǎn)過90度,則與漩渦發(fā)生體相平行的方向上的振動(dòng)對(duì)渦街流量計(jì)來說則變?yōu)樯Ψ较虻恼駝?dòng)了,會(huì)產(chǎn)生明顯的振動(dòng)干擾信號(hào),這是*不允許的。很多渦街流量計(jì)廠家說明書聲稱其流量計(jì)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(dòng)或振動(dòng)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(dòng)方向與漩渦升力方向相一致的安裝。

　　2　渦街流量計(jì)的選用問題

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

　　2.1對(duì)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(jì)。因?yàn)樵阡鰷u發(fā)生體兩側(cè)有兩個(gè)導(dǎo)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(jì)則引起了導(dǎo)壓孔堵塞,使信號(hào)輸出為0。凡是帶有導(dǎo)壓小孔的其它渦街流量計(jì)具有相似的情況,如Eestech公司生產(chǎn)的熱(磁)敏式渦街流量計(jì)。

　　2.2渦街流量計(jì)的選擇不僅要考慮被測(cè)介質(zhì)的溫度,還要考慮檢修吹掃管線時(shí)吹掃介質(zhì)的溫度,這一點(diǎn)常常容易忽視。渦街流量計(jì)的被測(cè)介質(zhì)溫度可能是常溫,但是在檢修時(shí)需要用蒸汽吹掃管線,蒸汽的溫度在150℃以上,如果選型時(shí)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(jì),在檢修吹掃管線時(shí),就有可能損壞敏感元件。

　　2.3超聲波渦街流量計(jì)雖然抗振性強(qiáng),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(cè)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(jì)不易用在含有過多氣泡的液體或含有雜質(zhì)的液體測(cè)量中。因?yàn)楹羞^多氣泡的液體,超聲波不易穿過,可能造成測(cè)量上的困難甚至不可能測(cè)量。液體中含有異物會(huì)對(duì)超聲波起到慢反射或吸收作用,也影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。

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