渦街流量計(jì)
 |
人氣：2710 發(fā)布時(shí)間：2013-03-14 12:19 關(guān)鍵詞：流量計(jì) 產(chǎn)品型號(hào)：RTUG 應(yīng)用領(lǐng)域：水處理 產(chǎn)品價(jià)格： 想了解更多產(chǎn)品詳情，請(qǐng) |
渦街流量計(jì)工作原理與結(jié)構(gòu)
RTUG系列智能渦街流量計(jì),主要用于工業(yè)管道介質(zhì)流體的流量測(cè)量,如氣體、液體、蒸氣等多種介質(zhì)。其特點(diǎn)是壓力損失小,量程范圍大,精度高,在測(cè)量工況體積流量時(shí)幾乎不受流體密度、壓力、溫度、粘度等參數(shù)的影響。無(wú)可動(dòng)機(jī)械零件，因此可靠性高,維護(hù)量小。儀表參數(shù)能長(zhǎng)期穩(wěn)定。本儀表采用壓電應(yīng)力式傳感器,可靠性高,可在-20℃～+250℃的工作溫度范圍內(nèi)工作。有模擬標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),也有數(shù)字脈沖信號(hào)輸出,容易與計(jì)算機(jī)等數(shù)字系統(tǒng)配套使用,是一種比較先進(jìn)、理想的流量?jī)x表。
當(dāng)在流體中設(shè)置旋渦發(fā)生體（阻流體）時(shí)，從旋渦發(fā)生體兩側(cè)交替地產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦，這種旋渦稱為卡曼渦街，如圖1所示。旋渦列在旋渦發(fā)生體下游非對(duì)稱地排列。設(shè)旋渦的發(fā)生頻率為f，被測(cè)介質(zhì)來(lái)流的平均速度為U，旋渦發(fā)生體迎面寬度為d，表體通徑為D，根據(jù)卡曼渦街原理，有如下關(guān)系式
f=SrU1/d=SrU/md 式中 U1--旋渦發(fā)生體兩側(cè)平均流速，m/s；
Sr--斯特勞哈爾數(shù)；
m--旋渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積與管道橫截面面積之比
管道內(nèi)體積流量qv為
qv=πD2U/4=πD2mdf/4Sr
K=f/qv=[πD2md/4Sr]-1 式中 K--流量計(jì)的儀表系數(shù)，脈沖數(shù)/m3（P/m3）。
除與旋渦發(fā)生體、管道的幾何尺寸有關(guān)外，還與斯特勞哈爾數(shù)有關(guān)。斯特勞哈爾數(shù)為無(wú)量綱參數(shù)，它與旋渦發(fā)生體形狀及雷諾數(shù)有關(guān)，圖2所示為圓柱狀旋渦發(fā)生體的斯特勞哈爾數(shù)與管道雷諾數(shù)的關(guān)系圖。由圖可見，在ReD=2×104～7×106范圍內(nèi)，Sr可視為常數(shù)，這是儀表正常工作范圍！ 由此可見，VSF輸出的脈沖頻率信號(hào)不受流體物性和組分變化的影響，即儀表系數(shù)在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)僅與旋渦發(fā)生體及管道的形狀尺寸等有關(guān)。但是作為流量計(jì)在物料平衡及能源計(jì)量中需檢測(cè)質(zhì)量流量，這時(shí)流量計(jì)的輸出信號(hào)應(yīng)同時(shí)監(jiān)測(cè)體積流量和流體密度，流體物性和組分對(duì)流量計(jì)量還是有直接影響的。
2. 結(jié)構(gòu)
VSF由傳感器和轉(zhuǎn)換器兩部分組成，如圖3所示。傳感器包括旋渦發(fā)生體（阻流體）、檢測(cè)元件、儀表表體等；轉(zhuǎn)換器包括前置放大器、濾波整形電路、D／A轉(zhuǎn)換電路、輸出接口電路、端子、支架和防護(hù)罩等。近年來(lái)智能式流量計(jì)還把微處理器、顯示通訊及其他功能模塊亦裝在轉(zhuǎn)換器內(nèi)。
（1）旋渦發(fā)生體
旋渦發(fā)生體是檢測(cè)器的主要部件，它與儀表的流量特性（儀表系數(shù)、線性度、范圍度等）和阻力特性（壓力損失）密切相關(guān)，對(duì)它的要求如下。
1） 能控制旋渦在旋渦發(fā)生體軸線方向上同步分離；
2） 在較寬的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，有穩(wěn)定的旋渦分離點(diǎn)，保持恒定的斯特勞哈爾數(shù)；
3） 能產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦街，信號(hào)的信噪比高；
4） 形狀和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于加工和幾何參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，以及各種檢測(cè)元件的安裝和組合；
5） 材質(zhì)應(yīng)滿足流體性質(zhì)的要求，耐腐蝕，耐磨蝕，耐溫度變化；
6） 固有頻率在渦街信號(hào)的頻帶外。
已經(jīng)開發(fā)出形狀繁多的旋渦發(fā)生體，它可分為單旋渦發(fā)生體和多旋渦發(fā)生體兩類，如圖4所示。單旋渦發(fā)生體的基本形有圓柱、矩形柱和三角柱，其他形狀皆為這些基本形的變形。三角柱形旋渦發(fā)生體是應(yīng)用最廣泛的一種，如圖5所示。圖中D為儀表口徑。為提高渦街強(qiáng)度和穩(wěn)定性，可采用多旋渦發(fā)生體，不過它的應(yīng)用并不普遍。
⑵ 檢測(cè)元件
流量計(jì)檢測(cè)旋渦信號(hào)有5種方式。
1） 用設(shè)置在旋渦發(fā)生體內(nèi)的檢測(cè)元件直接檢測(cè)發(fā)生體兩側(cè)差壓；
2） 旋渦發(fā)生體上開設(shè)導(dǎo)壓孔，在導(dǎo)壓孔中安裝檢測(cè)元件檢測(cè)發(fā)生體兩側(cè)差壓；
3） 檢測(cè)旋渦發(fā)生體周圍交變環(huán)流；
4） 檢測(cè)旋渦發(fā)生體背面交變差壓；
5） 檢測(cè)尾流中旋渦列。
根據(jù)這5種檢測(cè)方式，采用不同的檢測(cè)技術(shù)（熱敏、超聲、應(yīng)力、應(yīng)變、電容、電磁、光電、光纖等）可以構(gòu)成不同類型的VSF，如表1所示。
表1漩渦發(fā)生體和檢測(cè)方式一覽表
|
序號(hào) |
漩渦發(fā)生體截面形狀 |
傳感器 |
|
序號(hào) |
漩渦發(fā)生體截面形狀 |
傳感器 |
|
|
檢測(cè)方式 |
檢測(cè)元件 |
檢測(cè)方式 |
檢測(cè)元件 |
||||
|
1 |
|
方式5 |
超聲波束 |
9 |
|
方式2 |
反射鏡/光電元件 |
|
2 |
|
方式2 |
懸臂梁/電容，懸臂梁/壓電片 |
10 |
|
方式5 |
膜片/壓電元件 |
|
方式3 |
熱敏元件 |
||||||
|
方式5 |
超聲波束 |
11 |
|
方式3 |
扭力管/壓電元件 |
||
|
方式1 |
應(yīng)變?cè)?o:p> |
||||||
|
3 |
|
方式1 |
壓電元件 |
12 |
|
方式4 |
扭力管/壓電元件 |
|
方式2 |
壓電元件 |
13 |
|
方式4 |
振動(dòng)片/光纖傳感器 |
||
|
4 |
|
方式1 |
膜片/電容 |
14 |
|
方式5 |
超聲波束 |
|
方式2 |
熱敏元件 |
||||||
|
方式2 |
振動(dòng)體/電磁傳感器 |
||||||
|
5 |
|
方式1 |
膜片/靜態(tài)電容 |
15 |
|
方式2 |
應(yīng)變?cè)?o:p> |
|
6 |
|
方式1 |
磁致伸縮元件 |
16 |
|
方式1 |
壓電元件 |
|
7 |
|
方式1 |
膜片/壓電元件 |
17 |
|
方式4 |
應(yīng)變?cè)?o:p> |
|
8 |
|
方式2 |
熱敏元件 |
18 |
|
方式5 |
超聲波束 |
⑶ 轉(zhuǎn)換器
檢測(cè)元件把渦街信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，該信號(hào)既微弱又含有不同成分的噪聲，必須進(jìn)行放大、濾波、整形等處理才能得出與流量成比例的脈沖信號(hào)。
不同檢測(cè)方式應(yīng)配備不同特性的前置放大器，如表2所列。
表2 檢測(cè)方式與前置放大器
|
檢測(cè)方法 |
熱敏式 |
超聲式 |
應(yīng)變式 |
應(yīng)力式 |
電容式 |
光電式 |
電磁式 |
|
前置放大器 |
恒流放大器 |
選頻放大器 |
恒流放大器 |
電荷放大器 |
調(diào)諧-振動(dòng)放大器 |
光電放大器 |
低頻放大器 |
三、 優(yōu)點(diǎn)和局限性
1. 優(yōu)點(diǎn)
VSF結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固，安裝維護(hù)方便（與節(jié)流式差壓流量計(jì)相比較，無(wú)需導(dǎo)壓管和三閥組等，減少泄漏、堵塞和凍結(jié)等）。
適用流體種類多，如液體、氣體、蒸氣和部分混相流體。
精確度教高（與差壓式，浮子式流量計(jì)比較），一般為測(cè)量值的（ ±1%～±2%）R。
范圍寬度，可達(dá)10：1或20：1。
壓損。s為孔板流量計(jì)1/4～1/2）。
輸出與流量成正比的脈沖信號(hào)，適用于總量計(jì)量，無(wú)零點(diǎn)漂移；
在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)，輸出頻率信號(hào)不受流體物性（密度，粘度）和組分的影響，即儀表系數(shù)僅與旋渦發(fā)生體及管道的形狀尺寸有關(guān)，只需在一種典型介質(zhì)中校驗(yàn)而適用于各種介質(zhì)，儀表的適應(yīng)性強(qiáng)。VSF在各種流量計(jì)中是一種較有可能成為僅需干式校驗(yàn)的流量計(jì)。
2. 局限性
VSF不適用于低雷諾數(shù)測(cè)量（ReD≥2×104），故在高粘度、低流速、小口徑情況下應(yīng)用受到限制。
旋渦分離的穩(wěn)定性受流速分布畸變及旋轉(zhuǎn)流的影響，應(yīng)根據(jù)上游側(cè)不同形式的阻流件配置足夠長(zhǎng)的直管段或裝設(shè)流動(dòng)調(diào)整器（整流器），一般可借鑒節(jié)流式差壓流量計(jì)的直管段長(zhǎng)度要求安裝。
力敏檢測(cè)法VSF對(duì)管道機(jī)械振動(dòng)較敏感，不宜用于強(qiáng)振動(dòng)場(chǎng)所。
與渦輪流量計(jì)相比儀表系數(shù)較低，分辨率低，口徑愈大愈低，一般滿管式流量計(jì)用于
DN300以下。
儀表在脈動(dòng)流、混相流中尚欠缺理論研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。
四、分類與凡種類型產(chǎn)品簡(jiǎn)介
1. 分類
渦街流量計(jì)可按下述原則分類。
按傳感器連接方式分為法蘭型和夾裝型。
按檢測(cè)方式分為熱敏式、應(yīng)力式、電容式、應(yīng)變式、超聲式、振動(dòng)體式、光電式和光纖式等。
按用途分為普通型、防爆型、高溫型、耐腐型、低溫型、插入式和汽車專用型等。
按傳感器與轉(zhuǎn)換器組成分為一體型和分離型。
按測(cè)量原理分為體積流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)。
2. 幾種類型產(chǎn)品簡(jiǎn)介
各類渦街流量計(jì)性能比較如表3所示。
表3不同檢測(cè)方法渦街流量計(jì)比較
|
名稱 |
檢測(cè)變化量 |
檢測(cè)技術(shù) |
口徑/mm |
介質(zhì)溫度/℃ |
范圍度 |
雷諾數(shù)范圍 |
簡(jiǎn)單程度 |
牢固程度 |
靈敏度 |
耐熱性 |
耐振性 |
耐污能力
|
應(yīng)用范圍
|
||
|
檢測(cè)原理 |
檢測(cè)元件 |
||||||||||||||
|
熱敏式渦街流量計(jì) |
流
速
變
化 |
加熱體冷卻
|
熱敏元件 |
25～200 |
-196～+205 |
15～30 |
104～106 |
△ |
√ |
√ |
× |
√ |
× |
清潔、無(wú)腐
蝕液體、氣體 |
|
|
超聲式渦街流量計(jì) |
聲束被調(diào)制 |
超聲換能器 |
25～150 |
-15～+175 |
30 |
3×103～106 |
× |
△ |
√ |
△ |
√ |
√ |
小口徑液體、氣體 |
||
|
電容式渦街流量計(jì) |
壓
力
變
化 |
壓
差
作
用 |
壓差檢測(cè) |
膜片/電容 |
15～300 |
-200～+400 |
30 |
104～106 |
× |
△ |
√ |
√ |
△ |
△ |
液體、氣體、蒸汽 |
|
應(yīng)力式渦街流量計(jì) |
壓差檢測(cè) |
膜片/壓電片 |
50～200 |
-18～+205 |
16 |
104～106 |
× |
△ |
√ |
√ |
× |
√ |
液體、氣體、蒸汽 |
||
|
振動(dòng)體式渦街流量計(jì) |
壓差檢測(cè) |
圓盤/電磁 |
50～200 |
-268～-48 |
10～30 |
5×103～106 |
√ |
× |
△ |
√ |
× |
× |
極低溫液態(tài)氣體 |
||
|
棱球/電磁 |
-40～+427 |
高溫蒸汽 |
|||||||||||||
|
光電式渦街流量計(jì) |
壓差檢測(cè) |
反射鏡/光電元件 |
40～80 |
-10～+50 |
15 |
3×103～105 |
√ |
△ |
√ |
× |
、
× |
× |
低壓常溫氣體 |
||
|
應(yīng)變式渦街流量計(jì) |
應(yīng)變檢測(cè) |
應(yīng)變?cè)?o:p> |
50～150 |
-40～120 |
15 |
104～3×106 |
△ |
√ |
√ |
× |
△ |
△ |
液體 |
||
|
應(yīng)力式渦街流量計(jì) |
應(yīng)力檢測(cè) |
壓電元件 |
15～300 |
-40～+400 |
10～20 |
104～7×106 |
√ |
√ |
√ |
√ |
× |
√ |
液體、氣體、蒸汽 |
||
注∶√-較好、△-一般、×-差。
下面簡(jiǎn)介幾種類型VSF。
⑴ 應(yīng)力式VSF
應(yīng)力式VSF應(yīng)用檢測(cè)方式1）～4）（見二、2.），它把檢測(cè)元件受到的升力以應(yīng)力形式作用在壓電晶體元件上，轉(zhuǎn)換成交變的電荷信號(hào)，經(jīng)電荷放大、濾波、整形后得到旋渦頻率信號(hào)。壓電傳感器響應(yīng)快、信號(hào)強(qiáng)、工藝性好、制造成本低、與測(cè)量介質(zhì)不接觸、可靠性高。儀表的工作溫度范圍寬，現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性強(qiáng)，可靠性較高，它是目前VSF的主要產(chǎn)品類型。
但是，它對(duì)管道振動(dòng)較敏感，是其主要缺點(diǎn)，幾年來(lái)，生產(chǎn)廠家做了大量工作以彌補(bǔ)此缺陷：如對(duì)儀表本身結(jié)構(gòu)，檢測(cè)位置以及信號(hào)處理等采取措施；在管道安裝減震方式下功夫；向用戶提供選點(diǎn)咨詢指導(dǎo)等，已經(jīng)取得一定的進(jìn)展，當(dāng)然如測(cè)量對(duì)象有較強(qiáng)的振動(dòng)還是不用為好。
（2）電容式VSF
電容式VSF應(yīng)用檢測(cè)方式1）、2），安裝在渦街流量傳感器中的電容檢測(cè)元件相當(dāng)于一個(gè)懸臂梁（見圖10）。當(dāng)旋渦產(chǎn)生時(shí)，在兩側(cè)形成微小的壓差，使振動(dòng)體繞支點(diǎn)產(chǎn)生微小變形，從而導(dǎo)致一個(gè)電容間隙減少（電容量增大），另一個(gè)電容間隙增大（電容量下降），通過差分電路檢測(cè)電容差值。當(dāng)管道有振動(dòng)時(shí)，不管振動(dòng)是何方向，由振動(dòng)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)體與電極都在同方向上產(chǎn)生變形，由于設(shè)計(jì)時(shí)保證了振動(dòng)體與電極的幾何結(jié)構(gòu)與尺寸相匹配，使它們的變形量一致，差動(dòng)信號(hào)為零。這就是電容檢測(cè)元件耐振性能好的原因。雖然由于制造工藝的誤差，不可能完全消除振動(dòng)的影響，但大大提高了耐振性能。試驗(yàn)證明，其耐振性能超過1g。電容式另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可耐高溫達(dá)400oC，溫度對(duì)電容檢測(cè)元件的影響有兩方面：溫度使電容間介電常數(shù)發(fā)生變化和電極的幾何尺寸隨溫度而變，這些導(dǎo)致電容值發(fā)生變化，另一方面由于溫度升高金屬熱電子發(fā)射造成電容的漏電流增大。試驗(yàn)證明，當(dāng)溫度升高至400oC時(shí)無(wú)論電容值變化或漏電流增大都未影響儀表的基本性能。
⑶ 熱敏式VSF
熱敏式VSF采用檢測(cè)方式2）、3），如圖11所示。旋渦分離引起局部流速變化，改變熱敏電阻阻值，恒流電路把橋路電阻變化轉(zhuǎn)換為交變電壓信號(hào)。這種儀表檢測(cè)靈敏度較高，下限流速低，對(duì)振動(dòng)不敏感，可用于清潔、無(wú)腐蝕性流體測(cè)量。
⑷ 超聲式VSF
超聲式VSF采用檢測(cè)方式5），如圖12所示。由圖可見，在管壁上安裝二對(duì)超聲探頭T1，R1，T2，R2，探頭T1，T2發(fā)射高頻、連續(xù)聲信號(hào)，聲波橫穿流體傳播。當(dāng)旋渦通過聲束時(shí)，每一對(duì)旋轉(zhuǎn)方向相反的旋渦對(duì)聲波產(chǎn)生一個(gè)周期的調(diào)制作用，受調(diào)制聲波被接收探頭R1，R2轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)放大、檢波、整形后得旋渦信號(hào)。儀表有較高檢測(cè)靈敏度，下限流速較低，但溫度對(duì)聲調(diào)制有影響，流場(chǎng)變化及液體中含氣泡對(duì)測(cè)量影響較大，故儀表適用于溫度變化小的氣體和含氣量微小的液體流量測(cè)量。
⑸ 振動(dòng)體式VSF
振動(dòng)體式VSF采用檢測(cè)方式2），如圖13所示。在旋渦發(fā)生體軸向開設(shè)圓柱形深孔，孔內(nèi)放置軟磁材料制作的輕質(zhì)空心小球或圓盤（振動(dòng)體），旋渦分離產(chǎn)生的差壓推動(dòng)振動(dòng)體上下運(yùn)動(dòng)，位于振動(dòng)體上方的電磁傳感器檢測(cè)出旋渦頻率。它只適用于清潔度較高的流體（如蒸汽），可用于極高溫（427oC）及極低溫（-268oC），這是其特點(diǎn)。
⑹ 升力式渦街質(zhì)量流量計(jì)
旋渦分離的同時(shí)，旋渦發(fā)生體受到流體作用的升力，升力F的大小為
F=CLρU2/2 式中 CL-旋渦發(fā)生體升力系數(shù)。
以式（5）除以式（1），經(jīng)整理后可得質(zhì)量流量qm
qm=ρU(π/4)D2=πD2Sr/2CLmd×F/f
由上式可看出，質(zhì)量流量qm與升力F成正比。圖14為原理框圖。從壓電檢測(cè)元件取出旋渦信號(hào)，經(jīng)電荷轉(zhuǎn)換器后分兩路處理：一路經(jīng)有源濾波器、施密特整形器和f/V轉(zhuǎn)換器，獲得與流速成正比的信號(hào)；另一路經(jīng)放大器、濾波器獲得信號(hào)幅值與ρU2成正比的信號(hào)。這兩路信號(hào)經(jīng)除法器運(yùn)算，獲得質(zhì)量流量。
該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但信號(hào)幅值與壓電元件穩(wěn)定性、放大器穩(wěn)定性、現(xiàn)場(chǎng)安裝條件、被測(cè)介質(zhì)溫度等多種因素有關(guān)，測(cè)量精確度難以提高。
⑺ 差壓式渦街質(zhì)量流量計(jì)
流體通過旋渦發(fā)生體，產(chǎn)生旋渦分離和尾流震蕩，部分能量被消耗和轉(zhuǎn)換，在旋渦發(fā)生體前后產(chǎn)生壓力損失
△p=CDρU2/2
式中 CD-渦街流量傳感器阻力系數(shù)。
以式（7）除式（1），經(jīng)整理后得質(zhì)量流量qm
qm=ρU(π/4)D2=(πD2Sr/2mdCD)(△p/f)
傳感器輸出與體積流量成正比的頻率，差壓?jiǎn)卧獪y(cè)出旋渦發(fā)生體前后特定位置的差壓△P，經(jīng)計(jì)算單元計(jì)算，獲得質(zhì)量流量qm。選擇阻力特性和流量特性俱佳的旋渦發(fā)生體，確定取壓孔位置，建立CD的數(shù)學(xué)模型是技術(shù)關(guān)鍵。
公司擁有精良的檢測(cè)裝備，先進(jìn)的閥門制造包裝流水線，擁有鏜床、數(shù)控車床、平面磨床、大型立式車床等金加工設(shè)備100余臺(tái)(套)，設(shè)有化驗(yàn)室、機(jī)械性能測(cè)試室、閥門測(cè)試部等檢驗(yàn)部門，全面控制產(chǎn)品的質(zhì)量。主導(dǎo)產(chǎn)品有高溫高壓電站閥、大型蝶閥、水壓試驗(yàn)堵閥、抽氣止回閥、真空閥、水封閥、陶瓷耐磨排渣閥、高中壓閥門、水力控制閥門等產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于電廠、石化、石油、冶金、環(huán)保、制藥、造紙、市政、自來(lái)水等行業(yè)。各系列產(chǎn)品結(jié)構(gòu)新穎、技術(shù)先進(jìn)、品質(zhì)卓越，深受用戶好評(píng)。公司以市場(chǎng)為導(dǎo)向，遵循“科技創(chuàng)新，品牌興業(yè)”的宗旨，堅(jiān)守“為顧客著想，讓顧客滿意”的信念，不斷吸收國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的閥門設(shè)計(jì)技術(shù)、制造技術(shù)和管理技術(shù)，組織、設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)，確保產(chǎn)品質(zhì)量，為用戶提供優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品和滿意的服務(wù)。竭誠(chéng)歡迎各界新老朋友到我公司參觀、考察、洽談業(yè)務(wù)。
