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涡街培训教材
流
量
仪
表
CAI
培
训
教
材
编写:
楼春生
浙江迪元仪表有限公司研发中心
2006.4.21
目录
1.概述
2.原理与应用
3.结构、特点及分类
4.选型与安装
5.电气连接
6.流量数学模型
7.参数设定与含义
8.调试与维护指南
9.应用现状与主要存在问题
10.发展趋势
1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。
2原理与应用
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,这种旋涡称为卡门涡街,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,根据卡门涡街原理,有如下关系式
f=SrU1/d=SrU/md
(1)
式中 U--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卡门涡街
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。
图2斯特劳哈尔数与雷诺数关系曲线
3.结构、特点及分类
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、微处理器、输出接口电路、端子、支架等。
由于智能式流量计带有高性能的微处理器、显示通讯及其他功能模块都集成在转换器内。
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。
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。
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,如图4所示。
图4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5所示。
图5仪表表体
特点
Ⅰ智能化设计,集高精度温度、压力、流量传感器和智能流量计算显示于一体,可检测被测介质的温度、压力和流量,并进行密度自动补偿运算。
Ⅱ各类参数可直接通过面板键盘进行设置,无需对线路板进行操作。
Ⅲ应用最新微功耗技术,整机功耗低,无外供电源时,可采用内置电池供电工作。
Ⅳ双排LCD液晶显示,6位瞬时流量、8位累积流量显示。
Ⅴ流量、温度、压力等参数均可显示在LCD显示屏上,读数清晰直观。
Ⅵ具有小信号切除功能。
Ⅶ测量介质范围广,使用温度范围宽,检定周期长,无可动部件,压力损失小。
ⅧER14505(M)3.6V锂电池四节5号锂电池可持续工作一年以上。
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、光电式等。
按用途分为普通型、防爆型、高温型、耐腐型、低温型、插入式等。
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。
涡街产品的主要类型
普通涡街流量计
分离式涡街流量计
带温压涡街流量计
插入式涡街流量计
根据具体应用的场合来确定不同类型的产品。
4.选型与安装
选型要点
涡街流量计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。
涡街流量计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
选型方法
①根据流速确定流量计的口径
②由流量确定流量计的口径
③由计算机软件确定流量计的口径
以上几个方面只是一点需要遵循的一些原则和方法,具体的选型请咨询公司。
安装条件与方法
Ⅰ流量计前方尽可能有较长的直管段。
应尽量避免在靠近调节阀和半开阀门之后安装流量计。
Ⅱ流量计既可水平安装,又可垂直安装。
垂直安装时,流体必须自下而上流过流量计,且具有单向性,不能装反,流量计轴线应与管道轴线一致。
Ⅲ前直管段之前是缩管、单弯头、全开阀,前直管段要大于15D。
Ⅳ减小振动对涡街流量计的影响应该作为涡街流量计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8所示。
图8安装管道支持举例
5.电气连接
电线和电缆与敷设
Ⅰ建议采用500PVC绝缘电线或具有同等性能的标准电线或电缆。
Ⅱ在易受电噪声干扰的地方需使用屏蔽线。
Ⅲ在高温或低温环境中,要采用适合于使用场合温度的电线或电缆。
Ⅳ空气中含有油或溶剂、腐蚀性气体或液体的地方,应采用适合此地的电线或电缆。
Ⅴ为避免干扰,信号线不要与电力线敷设在同一根钢管中;平行走线时,不要靠得太近,应保持一定的距离。
接地
涡街流量计与其他仪表组成一体,必须有一点接地,且接地必须满足3级要求(接地电阻小于100Ω)。
6.流量数学模型
流量计算公式:
Q=Fr/COE•3.6•修正系数•QГ
式中:
COE:
仪表系数(P/L);
Fr:
脉冲频率(Hz);
QГ:
数值上为1,无实际意义。
质量流量计算公式:
M=Q•ρ
Qn=Q•ρ/ρn
式中:
M:
质量流量(kg/h);
ρ:
工况密度,由温度、压力传感器检测补偿或设定(kg/m3);
ρn:
标准状况下介质密度(kg/m3)。
7.参数设定与含义
按SET键进入
no单元
仪表号0~255
仪表编号或频率输出使能,当no=0时无频率输出,no不为0时,有频率输出。
在使用电池供电的情况下,将no设为0。
否则仪表耗电将有明显的增加。
d单元
口径(滤波系数)25、32、40、50、80、100、150、200、250
J单元
介质0~1
流体选择:
0-表示液体1-表示测量气体和蒸汽
nt单元
阻尼系数0-7s
0表示仪表不工作。
通常选择3或4,在振动较为强烈的测量点,建议选用7。
dA单元
量程上限0~999999m3/h,kg/h,t/h
对于二线制涡街流量计,此流量对应20mA;
对于24V供电频率输出的涡街流量计,此流量对应900HZ(下限截止频率为30HZ)。
CoE单元
仪表流量系数0~999999P/dm3(P/L)
如果测量流体的质量,
那么密度单元设入介质密度值。
SU单元
累积量0~99999999m3
kg,t单位由密度单元确定
累积量清0,通过对此单元逐位清0即可。
gAin单元
增益0~7
关于增益(gain)单元应用的说明:
设定的单元值越小,表明增益(放大培数)增大,反之,增益变小;0为最大,7为最小。
SEn单元
灵敏度0~7
关于灵敏度单元(SEn)单元应用的说明:
设定的单元值越小,表明灵敏度高,反之,灵敏度低;0为最大,7为最小。
对于有较强干扰源的地方,选择大数字以克服干扰。
对于小流量请选择小数字设定。
dACOE单元
20mA满量程调整0.0~99.99
Fr单元
频率设定0~9999Hz
一般用在输出电流的调试中,平时不用。
以下单元在质量流量计中使用
QГ单元
密度设定0~9999.0
当密度不补偿时,可以直接设定密度值。
AoE单元
密度补偿系数0~9999.0
见说明书中的功能码密度补偿公式。
BoE单元
密度补偿系数0~99999.0%
见说明书功能码密度补偿公式。
P单元
压力0~4.0
MPa根据实际工况参数确定密度单位。
T单元
温度-50~+300℃
根据实际工况参数确定密度单位。
Fun单元
功能码0~7
见说明书功能码单元应用的说明。
按INC+ENT键进入
非线性修正的说明与小信号切除的设置
LL0第0点流量值0.0~999999.00最小流量修正点。
C0第0点流量系数修正值0.0~100.0
LL1第1点流量值0.0~999999.00
C1第1点流量系数修正值0.0~100.0
LL2第2点流量值0.0~999999.00
C2第2点流量系数修正值0.0~100.0
LL3第3点流量值0.0~999999.00
C3第3点流量系数修正值0.0~100.0
LL4第4点流量值0.0~999999.00
C4第4点流量系数修正值0.0~100.0
LL5第5点流量值0.0~999999.00最大流量修正点。
C5第5点流量系数修正值0.0~100.0
8.调试与维护指南
调试
(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,可调整相应的单元,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相应的单元直至仪表输出脉宽均匀的脉冲。
(4)仪表系数修正
涡街流量计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
KV=EtEREDKVO
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。
具体的操作见说明书的附录2、3。
维护指南
●通电后无流量时有输出信号
●通电通流后无输出信号
●输出信号不规则不稳定
●测量误差大
8.1通电后无流量时有输出信号
1)接线不正确
2)前置放大器失灵
3)管道有较强振动
4)传感器失灵
8.2通电通流后无输出信号
1)流量太小
2)小信号切除太大
3)nt参数设定为0
4)无频率输出时,可能no单元=0
5)传感器失灵或机械故障
6)信号转化器失灵有误
8.3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
8.4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
9.应用现状与主要存在问题
在众多的流量计中,涡街流量计的优势在于经济性较好,是一种经济实惠的流量计。
涡街流量计的基本性能处于中等偏上水平,价格低于质量式、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。
涡街流量计自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。
现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,涡街流量计的选用(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指导。
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。
涡街流量计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。
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。
10.发展趋势
涡街流量计具有无活动部件,使用寿命长,可直接输出数字信号等特点。
因此,应用十分广泛。
但传统的信号处理方法存在着两个缺点,一是测量精度远低于实验室标定的精度,二是量程比只能达到10:
1。
从各个生产厂家来看,提高测量精度是一个明确的方向,特别是采用了新的技术,新的方法后,测量精度有明显的改善,增加了涡街流量计的可用性,为其大面积推广应用提供了技术保证。
量程比拓宽又是涡街流量计发展的一个趋势。
可以预见,精度高、量程比宽、易用性好的涡街流量计将是主流。
参考文献
1.JB/T9249-1999涡街流量传感器
2.JJG198-94速度式流量计检定规程
3.菲波公司、上海华强仪表有限公司、YOKOGAWA、EndresstHauser、北京博思达仪器仪表有限公司等 产品样本和使用说明书
4.乐嘉谦主编《仪表工手册》化学工业出版社,1998
5.王森主编《仪表常用数据手册》化学工业出版社,1998
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