[導(dǎo)讀] 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,也有數(shù)字脈沖信號輸出,容易與計算機等數(shù)字系統(tǒng)配套使用,是一種比較先進(jìn)、理想的流量儀表。
渦街流量計,主要用于工業(yè)管道介質(zhì)流體的流量測量,如氣體、液體、蒸氣等多種介質(zhì)。其特點是壓力損失小,量程范圍大,精度高,在測量工況體積流量時幾乎不受流體密度、壓力、溫度、粘度等參數(shù)的影響。無可動機械零件，因此可靠性高,維護(hù)量小。儀表參數(shù)能長期穩(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,也有數(shù)字脈沖信號輸出,容易與計算機等數(shù)字系統(tǒng)配套使用,是一種比較先進(jìn)、理想的流量儀表。
當(dāng)在流體中設(shè)置旋渦發(fā)生體(阻流體)時，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)生體下游非對稱地排列。設(shè)旋渦的發(fā)生頻率為f，被測介質(zhì)來流的平均速度為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)。但是作為流量計在物料平衡及能源計量中需檢測質(zhì)量流量，這時流量計的輸出信號應(yīng)同時監(jiān)測體積流量和流體密度，流體物性和組分對流量計量還是有直接影響的。
二. 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。近年來智能式流量計還把微處理器、顯示通訊及其他功能模塊亦裝在轉(zhuǎn)換器內(nèi)。
渦街流量計
(1)旋渦發(fā)生體
旋渦發(fā)生體是檢測器的主要部件，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，保持恒定的斯特勞哈爾數(shù);
3) 能產(chǎn)生強烈的渦街，信號的信噪比高;
4) 形狀和結(jié)構(gòu)簡單，便于加工和幾何參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，以及各種檢測元件的安裝和組合;
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。
?、?檢測元件
流量計檢測旋渦信號有5種方式。
1) 用設(shè)置在旋渦發(fā)生體內(nèi)的檢測元件直接檢測發(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)壓孔中安裝檢測元件檢測發(fā)生體兩側(cè)差壓;
3) 檢測旋渦發(fā)生體周圍交變環(huán)流;
4) 檢測旋渦發(fā)生體背面交變差壓;
5) 檢測尾流中旋渦列。
根據(jù)這5種檢測方式，采用不同的檢測技術(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 旋渦發(fā)生體和檢測方式一覽表
檢測元件把渦街信號轉(zhuǎn)換成電信號，該信號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。
不同檢測方式應(yīng)配備不同特性的前置放大器，如表2所列。
表2 檢測方式與前置放大器
三、 優(yōu)點和局限性
1. 優(yōu)點
VSF結(jié)構(gòu)簡單牢固，安裝維護(hù)方便(與節(jié)流式差壓流量計相比較，無需導(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，浮子式流量計比較)，一般為測量值的( ±1%～±2%)R。
范圍寬度，可達(dá)10：1或20：1。
壓損小(約為孔板流量計1/4～1/2)。
輸出與流量成正比的脈沖信號，適用于總量計量，無零點漂移;
在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)，輸出頻率信號不受流體物性(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)中校驗而適用于各種介質(zhì)，儀表的適應(yīng)性強。VSF在各種流量計中是一種較有可能成為僅需干式校驗的流量計。
2. 局限性
VSF不適用于低雷諾數(shù)測量(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的直管段或裝設(shè)流動調(diào)整器(整流器)，一般可借鑒節(jié)流式差壓流量計的直管段長度要求安裝。
力敏檢測法VSF對管道機械振動較敏感，不宜用于強振動場所。
與渦輪流量計相比儀表系數(shù)較低，分辨率低，口徑愈大愈低，一般滿管式流量計用于
DN300以下。
儀表在脈動流、混相流中尚欠缺理論研究和實踐經(jīng)驗。
四、分類與凡種類型產(chǎn)品簡介
1. 分類
渦街流量計可按下述原則分類。
按傳感器連接方式分為法蘭型和夾裝型。
按檢測方式分為熱敏式、應(yīng)力式、電容式、應(yīng)變式、超聲式、振動體式、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。
按測量原理分為體積流量計、質(zhì)量流量計。
2. 幾種類型產(chǎn)品簡介
各類渦街流量計性能比較如表3所示。
表3 不同檢測方法渦街流量計比較
注∶√-較好、△-一般、×-差。
下面簡介幾種類型VSF。
⑴ 應(yīng)力式VSF
應(yīng)力式VSF應(yīng)用檢測方式1)～4)(見二、2.)，它把檢測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，經(jīng)電荷放大、濾波、整形后得到旋渦頻率信號。壓電傳感器響應(yīng)快、信號強、工藝性好、制造成本低、與測量介質(zhì)不接觸、可靠性高。儀表的工作溫度范圍寬，現(xiàn)場適應(yīng)性強，可靠性較高，它是目前VSF的主要產(chǎn)品類型。
但是，它對管道振動較敏感，是其主要缺點，幾年來，生產(chǎn)廠家做了大量工作以彌補此缺陷：如對儀表本身結(jié)構(gòu)，檢測位置以及信號處理等采取措施;在管道安裝減震方式下功夫;向用戶提供選點咨詢指導(dǎo)等，已經(jīng)取得一定的進(jìn)展，當(dāng)然如測量對象有較強的振動還是不用為好。
(2)電容式VSF
電容式VSF應(yīng)用檢測方式1)、2)，安裝在渦街流量傳感器中的電容檢測元件相當(dāng)于一個懸臂梁(見圖10)。當(dāng)旋渦產(chǎn)生時，在兩側(cè)形成微小的壓差，使振動體繞支點產(chǎn)生微小變形，從而導(dǎo)致一個電容間隙減少(電容量增大)，另一個電容間隙增大(電容量下降)，通過差分電路檢測電容差值。當(dāng)管道有振動時，不管振動是何方向，由振動產(chǎn)生的慣性力同時作用在振動體及電極上，使振動體與電極都在同方向上產(chǎn)生變形，由于設(shè)計時保證了振動體與電極的幾何結(jié)構(gòu)與尺寸相匹配，使它們的變形量一致，差動信號為零。這就是電容檢測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的影響，但大大提高了耐振性能。試驗證明，其耐振性能超過1g。電容式另一個優(yōu)點是可耐高溫達(dá)400oC，溫度對電容檢測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。試驗證明，當(dāng)溫度升高至400oC時無論電容值變化或漏電流增大都未影響儀表的基本性能。
?、?熱敏式VSF
熱敏式VSF采用檢測方式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。這種儀表檢測靈敏度較高，下限流速低，對振動不敏感，可用于清潔、無腐蝕性流體測量。
?、?超聲式VSF
超聲式VSF采用檢測方式5)，如圖12所示。由圖可見，在管壁上安裝二對超聲探頭T1，R1，T2，R2，探頭T1，T2發(fā)射高頻、連續(xù)聲信號，聲波橫穿流體傳播。當(dāng)旋渦通過聲束時，每一對旋轉(zhuǎn)方向相反的旋渦對聲波產(chǎn)生一個周期的調(diào)制作用，受調(diào)制聲波被接收探頭R1，R2轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)放大、檢波、整形后得旋渦信號。儀表有較高檢測靈敏度，下限流速較低，但溫度對聲調(diào)制有影響，流場變化及液體中含氣泡對測量影響較大，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量。
?、?振動體式VSF
振動體式VSF采用檢測方式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(振動體)，旋渦分離產(chǎn)生的差壓推動振動體上下運動，位于振動體上方的電磁傳感器檢測出旋渦頻率。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。
⑹ 升力式渦街質(zhì)量流量計
旋渦分離的同時，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。從壓電檢測元件取出旋渦信號，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;另一路經(jīng)放大器、濾波器獲得信號幅值與ρU2成正比的信號。這兩路信號經(jīng)除法器運算，獲得質(zhì)量流量。
該方法結(jié)構(gòu)簡單，但信號幅值與壓電元件穩(wěn)定性、放大器穩(wěn)定性、現(xiàn)場安裝條件、被測介質(zhì)溫度等多種因素有關(guān)，測量精確度難以提高。
?、?差壓式渦街質(zhì)量流量計
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，差壓單元測出旋渦發(fā)生體前后特定位置的差壓△P，經(jīng)計算單元計算，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。