西森自動(dòng)化:渦街流量計(jì)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)
【文章導(dǎo)讀】 西森渦街流量計(jì)由傳感器和轉(zhuǎn)換器兩部分組成。傳感器包括表體、旋渦發(fā)生體、檢測(cè)元件、安裝架和法蘭等。轉(zhuǎn)換器包括前置放大器、濾波整形電路、接線端子、表殼等。
渦街流量計(jì)如圖所示,由傳感器和轉(zhuǎn)換器兩部分組成。傳感器包括表體、旋渦發(fā)生體、檢測(cè)元件、安裝架和法蘭等。轉(zhuǎn)換器包括前置放大器、濾波整形電路、接線端子、表殼等。近年來,智能式儀表還將CPU、存儲(chǔ)單元、顯示單元、通信單元及其他功能也裝在轉(zhuǎn)換器中,形成智能組合型渦街流量計(jì)。
旋渦發(fā)生體
旋渦發(fā)生體是渦街流量計(jì)的關(guān)鍵件,一般采用不銹鋼制成,儀表的流量特性(如儀表系數(shù)、線性度、范圍等)和阻力特性(如壓力損失)都與旋渦發(fā)生體密切相關(guān)。旋渦發(fā)生體有圓柱形、梯形柱、三角柱、T形柱、矩形柱等;按結(jié)構(gòu)又可分為單體和多體。旋渦發(fā)生體的基本形狀如圖所示。
圓柱形旋渦發(fā)生體是形狀最簡(jiǎn)單的旋渦發(fā)生體,加工方便,阻力系數(shù)小,St比較高,但是隨著雷諾數(shù)的變化,其旋渦分離點(diǎn)隨著圓柱表面移動(dòng),渦街的穩(wěn)定性和儀表線性度較差,現(xiàn)基本不用。單體三角柱形旋渦發(fā)生體是應(yīng)用最廣泛的一種。多體旋渦發(fā)生體由主發(fā)生體和輔助發(fā)生體組成,位于上游的發(fā)生體起分流和起旋作用,位于下游的發(fā)生體可起到提高渦街強(qiáng)度和穩(wěn)定旋渦的作用。雙體或多體旋渦發(fā)生體是為了提高渦街強(qiáng)度和穩(wěn)定性,降低下限雷諾數(shù)和阻力系數(shù)而逐步采用的。這里給出其中幾種基型旋渦發(fā)生體的特性(見表),供設(shè)計(jì)時(shí)參考。
基型旋渦發(fā)生體的特性
發(fā)生體 名稱 | 橫截面 形狀 | St | 特點(diǎn) |
圓柱體 | ○ | 0.21 | 形狀簡(jiǎn)單、易加工、St最大、旋渦強(qiáng)度較弱,需采取邊界控制措施才能形成穩(wěn)定的旋渦 |
矩形柱體 | □ | 0.17 | 旋渦強(qiáng)烈且穩(wěn)定、壓損大、St較強(qiáng),可在發(fā)生體內(nèi)或尾部檢測(cè)旋渦 |
三角形柱體 | △ | 0.14~0.16 | 旋渦強(qiáng)度適中且穩(wěn)定、損失小、在較寬的Re范圍內(nèi)St的線性程度幾乎是理想值,使用最普遍 |
梯形柱 與T形柱 | 梯形 | 0.166 | 它是三角形的變形、剛度好、壓損適中、 梯形柱適用于應(yīng)力檢測(cè);T形柱適用于差壓檢測(cè);它們應(yīng)用廣泛,旋渦強(qiáng)烈且穩(wěn)定 |
旋渦發(fā)生體是檢測(cè)器的核心,它的形狀和尺寸對(duì)渦街的強(qiáng)度、穩(wěn)定性、信噪比有著密切的關(guān)系。
設(shè)計(jì)發(fā)生體時(shí),要求旋渦強(qiáng)度大,即可以獲得穩(wěn)定的旋渦,另一方面其形狀又要使他的阻力系數(shù)不要太大。目前理論設(shè)計(jì)資料極少,一般采用相似原理,來確定其他規(guī)格的相應(yīng)參數(shù),這里給出作者設(shè)計(jì)的資料以供大家設(shè)計(jì)時(shí)參考:
(1)三角柱旋渦發(fā)生體
三角柱旋渦發(fā)生體如圖所示。
其尺寸關(guān)系如下:
d/D=0.2~0.3;
C/D=0.1~0.2;
b/d=1~1.5;
Q=15°~65°。
(2)T形旋渦發(fā)生體
T形旋渦發(fā)生體如圖所示。
其幾何尺寸關(guān)系:
d/D=0.27;
h/d=1.2;
h/b=4.1;
b/c=6.67?8;
g/b=1.25;
Q1=60°;
Q2= 19°。
這里給出T形發(fā)生體尺寸(見表),以供參考。
T形發(fā)生體尺寸表
公稱尺寸/mm | d/mm | h/mm | b/mm | c/mm | g/mm | Q1 | Q2 |
DN25 | 6.75 | 8.2 | 2.0 | 0.3 | 2.5 | 60° | 19° |
DN40 | 10.8 | 13.2 | 3.2 | 0.4 | 4.0 | 60° | 19° |
DN50 | 13.5 | 16.5 | 4.0 | 0.5 | 5.0 | 60° | 19° |
DN80 | 21.6 | 26.4 | 6.4 | 0.8 | 8.0 | 60° | 19° |
DN100 | 27.0 | 33.0 | 8.0 | 1.0 | 10 | 60° | 19° |
DN150 | 40.5 | 49.5 | 12.0 | 1.5 | 15 | 60° | 19° |
檢測(cè)元件
檢測(cè)元件大都安裝在下游發(fā)生體內(nèi),或上下游附近。早期的旋渦發(fā)生體,都是單體的,檢測(cè)元件都是安裝在旋渦發(fā)生體內(nèi)的;現(xiàn)在多采用壓電元件型,即多體旋渦發(fā)生體,上游的發(fā)生體起分流和起旋作用,位于下游的發(fā)生體除起提高渦街強(qiáng)度和穩(wěn)定旋渦作用外,因?yàn)榘l(fā)生體內(nèi)安裝有檢測(cè)元件,還起著檢測(cè)旋渦頻率的作用,一般生產(chǎn)廠家把它叫做探頭。隨著現(xiàn)代生產(chǎn)的專業(yè)化,已有廠家專一生產(chǎn)探頭銷售,如武漢市航宇壓電科技有限公司就生產(chǎn)渦街流量傳感器用的檢測(cè)頭(探頭)。如有剛起步生產(chǎn)渦街流量計(jì)的企業(yè),自己對(duì)檢測(cè)頭不明白就可以先購買,當(dāng)自己掌握加工、封裝技術(shù)后再自己設(shè)計(jì)加工生產(chǎn)。
旋渦信號(hào)的檢測(cè)技術(shù)很多,主要有受力檢測(cè)和流速檢測(cè)兩類,受力檢測(cè)一般有應(yīng)變、應(yīng)力、電磁、電容等檢測(cè)技術(shù);而流速檢測(cè)一般有光電、熱敏、超聲等檢測(cè)技術(shù)。
(1)應(yīng)力式渦街流量計(jì)
應(yīng)力式結(jié)構(gòu)現(xiàn)一般采用雙體發(fā)生體,上游發(fā)生體一般用三角柱發(fā)生體,下游發(fā)生體采用探頭,其發(fā)生體安裝相互位置如圖所示。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、整形后得到漩渦頻率信號(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,儀表工作溫度范圍寬,現(xiàn)場(chǎng)適用性強(qiáng),可靠性較高,它是渦街流量計(jì)的主要產(chǎn)品類型。但它對(duì)管道振動(dòng)較敏感,設(shè)計(jì)時(shí)要引起注意。
(2)電容式渦街流量計(jì)
電容式結(jié)構(gòu):在渦街流量計(jì)的傳感器中的電容檢測(cè)元件相當(dāng)于一個(gè)懸臂梁,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)體和電極的幾何結(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。電容式的最大優(yōu)點(diǎn)是耐溫高達(dá)400℃,當(dāng)溫度升高到400℃時(shí),無論電容值變化或漏電流增大都未能影響儀表的基本性能。
(3)熱敏式渦街流量計(jì)
熱敏式結(jié)構(gòu)是將熱敏電阻安裝在發(fā)生體內(nèi)或裝在發(fā)生體迎流面上。旋渦分離引起局部流速變化,改變熱敏電阻值,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、無腐蝕性流體測(cè)量。
(4)超聲式渦街流量計(jì)
超聲式結(jié)構(gòu)是在管壁上安裝兩對(duì)超聲探頭,一對(duì)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)制聲波被接收探頭轉(zhuǎn)換成電信號(hào),經(jīng)放大、檢波、整形后得到旋渦信號(hào)。這種方式儀表有較高檢測(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)變化及液體中含有的氣泡對(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。
(5)振動(dòng)體式渦街流量計(jì)
振動(dòng)體式結(jié)構(gòu)是在旋渦發(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)空心的小球或圓盤(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(如蒸氣),可用于極高和極低溫度的測(cè)量。
(6)光電式渦街流量計(jì)
光電式渦街流量計(jì)的旋渦分離產(chǎn)生的差壓被引到外面,作用到可繞拉緊帶擺動(dòng)的反射鏡上,發(fā)光管發(fā)射的光被發(fā)射到光電管,反射鏡受交變差壓作用而擺動(dòng),光電管接收到的光強(qiáng)同步變化, 通過光電放大器、整形電路輸出渦街脈沖信號(hào)。采用光纖傳感器同樣可以測(cè)量渦街信號(hào)。
渦街流量計(jì)被測(cè)介質(zhì)有液體、氣體和蒸氣,應(yīng)避免多相流和高黏度流體;測(cè)量精度為0.5%~2%;重復(fù)性為0.2%?0.25%。流量計(jì)必須按照J(rèn)JG 1029—2007《渦街流量計(jì)檢定規(guī)程》進(jìn)行出廠檢定。
渦街流量計(jì)不適用于低雷諾數(shù)(通常ReD≤2×lO4)的流量測(cè)量,在高黏度、低流速、大口徑時(shí)應(yīng)受到限制;口徑越大頻率分辨率越低,所以儀表口徑一般不大于300mm。
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