西森自動化:渦街流量計的結構和設計

西森9年口碑,專業解決10萬客戶測量方案 | [在線咨詢]    2016-09-22 15:24:12
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【文章導讀】 西森渦街流量計由傳感器和轉換器兩部分組成。傳感器包括表體、旋渦發生體、檢測元件、安裝架和法蘭等。轉換器包括前置放大器、濾波整形電路、接線端子、表殼等。

渦街流量計如圖所示,由傳感器和轉換器兩部分組成。傳感器包括表體、旋渦發生體、檢測元件、安裝架和法蘭等。轉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、存儲單元、顯示單元、通信單元及其他功能也裝在轉換器中,形成智能組合型渦街流量計。


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旋渦發生體

 

旋渦發生體是渦街流量計的關鍵件,一般采用不銹鋼制成,儀表的流量特性(如儀表系數、線性度、范圍等)和阻力特性(如壓力損失)都與旋渦發生體密切相關。旋渦發生體有圓柱形、梯形柱、三角柱、T形柱、矩形柱等;按結構又可分為單體和多體。旋渦發生體的基本形狀如圖所示。


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圓柱形旋渦發生體是形狀最簡單的旋渦發生體,加工方便,阻力系數小,St比較高,但是隨著雷諾數的變化,其旋渦分離點隨著圓柱表面移動,渦街的穩定性和儀表線性度較差,現基本不用。單體三角柱形旋渦發生體是應用最廣泛的一種。多體旋渦發生體由主發生體和輔助發生體組成,位于上游的發生體起分流和起旋作用,位于下游的發生體可起到提高渦街強度和穩定旋渦的作用。雙體或多體旋渦發生體是為了提高渦街強度和穩定性,降低下限雷諾數和阻力系數而逐步采用的。這里給出其中幾種基型旋渦發生體的特性(見表),供設計時參考。


基型旋渦發生體的特性

發生體

名稱

橫截面

形狀

St

特點

圓柱體

0.21

形狀簡單、易加工、St最大、旋渦強度較弱,需采取邊界控制措施才能形成穩定的旋渦

矩形柱體

0.17

旋渦強烈且穩定、壓損大、St較強,可在發生體內或尾部檢測旋渦

三角形柱體

0.14~0.16

旋渦強度適中且穩定、損失小、在較寬的Re范圍內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、 梯形柱適用于應力檢測;T形柱適用于差壓檢測;它們應用廣泛,旋渦強烈且穩定

 

旋渦發生體是檢測器的核心,它的形狀和尺寸對渦街的強度、穩定性、信噪比有著密切的關系。

 

設計發生體時,要求旋渦強度大,即可以獲得穩定的旋渦,另一方面其形狀又要使他的阻力系數不要太大。目前理論設計資料極少,一般采用相似原理,來確定其他規格的相應參數,這里給出作者設計的資料以供大家設計時參考:

 

(1)三角柱旋渦發生體

三角柱旋渦發生體如圖所示。


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其尺寸關系如下:

d/D=0.2~0.3;

C/D=0.1~0.2;

b/d=1~1.5;

Q=15°~65°。

 

(2)T形旋渦發生體

T形旋渦發生體如圖所示。


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其幾何尺寸關系:

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形發生體尺寸(見表),以供參考。

T形發生體尺寸表

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°

 

檢測元件

檢測元件大都安裝在下游發生體內,或上下游附近。早期的旋渦發生體,都是單體的,檢測元件都是安裝在旋渦發生體內的;現在多采用壓電元件型,即多體旋渦發生體,上游的發生體起分流和起旋作用,位于下游的發生體除起提高渦街強度和穩定旋渦作用外,因為發生體內安裝有檢測元件,還起著檢測旋渦頻率的作用,一般生產廠家把它叫做探頭。隨著現代生產的專業化,已有廠家專一生產探頭銷售,如武漢市航宇壓電科技有限公司就生產渦街流量傳感器用的檢測頭(探頭)。如有剛起步生產渦街流量計的企業,自己對檢測頭不明白就可以先購買,當自己掌握加工、封裝技術后再自己設計加工生產。

 

旋渦信號的檢測技術很多,主要有受力檢測和流速檢測兩類,受力檢測一般有應變、應力、電磁、電容等檢測技術;而流速檢測一般有光電、熱敏、超聲等檢測技術。

 

(1)應力式渦街流量計

應力式結構現一般采用雙體發生體,上游發生體一般用三角柱發生體,下游發生體采用探頭,其發生體安裝相互位置如圖所示。它把檢測元件受到的升力以應力形式作用在壓電晶體元件上,轉換成交變的電荷信號,經電荷放大、濾波、整形后得到漩渦頻率信號。壓電傳感器響應快、信號強、工藝性好、制造成本低、與測量介質不接觸、可靠性高,儀表工作溫度范圍寬,現場適用性強,可靠性較高,它是渦街流量計的主要產品類型。但它對管道振動較敏感,設計時要引起注意。

 

(2)電容式渦街流量計

電容式結構:在渦街流量計的傳感器中的電容檢測元件相當于一個懸臂梁,當旋渦產生時,在兩側形成微小的壓差,使振動體繞支點產生微小變形,從而導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。當管道有振動時,不管振動是何方向,由振動產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生變形,由于設計時保證了振動體和電極的幾何結構與尺寸相匹配,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。電容式的最大優點是耐溫高達400℃,當溫度升高到400℃時,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

熱敏式結構是將熱敏電阻安裝在發生體內或裝在發生體迎流面上。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。


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(4)超聲式渦街流量計

超聲式結構是在管壁上安裝兩對超聲探頭,一對發射高頻、連續聲信號,聲波橫穿流體傳播。當旋渦通過聲束時,每一對旋轉方向相反的旋渦對聲波產生一個周期的調制作用,受調制聲波被接收探頭轉換成電信號,經放大、檢波、整形后得到旋渦信號。這種方式儀表有較高檢測靈敏度,下限流速較低,但溫度對聲調制有影響,流場變化及液體中含有的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。

 

(5)振動體式渦街流量計

振動體式結構是在旋渦發生體軸向開設圓柱形深孔,孔內放置軟磁材料制作的輕質空心的小球或圓盤(振動體),旋渦分離產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(如蒸氣),可用于極高和極低溫度的測量。

 

(6)光電式渦街流量計

光電式渦街流量計的旋渦分離產生的差壓被引到外面,作用到可繞拉緊帶擺動的反射鏡上,發光管發射的光被發射到光電管,反射鏡受交變差壓作用而擺動,光電管接收到的光強同步變化, 通過光電放大器、整形電路輸出渦街脈沖信號。采用光纖傳感器同樣可以測量渦街信號。

 

渦街流量計被測介質有液體、氣體和蒸氣,應避免多相流和高黏度流體;測量精度為0.5%~2%;重復性為0.2%?0.25%。流量計必須按照JJG 1029—2007《渦街流量計檢定規程》進行出廠檢定。

 

渦街流量計不適用于低雷諾數(通常ReD≤2×lO4)的流量測量,在高黏度、低流速、大口徑時應受到限制;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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