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涡街流量计工作原理及常见故障
浏览: 发布日期:2017-05-14 16:23:59

1 概况

    在炼油、化工等生产过程中,对管道内液体和气体的流量进行测量和控制是实现生产过程自动化的重要组成部分。涡街流量计在兰州石化设备维修公 司应用范围越来越广泛,生产中遇到的问题也越来越多,加之安装、使用、维护人员的水平差异,使得出现的问题不能迅速解决,一定程度上影响了生产的正常进 行。在特定的流动条件下,一部分流体动能转化为流体振动,其振动频率与流速成正比例关系,根据这种原理工作的流量计称为流体振动流量计。

    涡街流量计,主要用于工业管道介质流体的流量测量,如气体、液体、蒸气等多种介质。其特点是压力损失小,量程范围大,精度高,在测量工况体积流流量时几乎不受流体密度、压力、温度、粘度等参数的影响。无可动机械零件,因此可靠性高,维护量小。仪表参数能长期稳定。

    2 工作原理

    涡街流量计是基于卡门涡街原理制成的一种流体振荡性流量计,其测量原理如图1所示。即在被测流体中插入一个非流线型的对称形状的物体(即漩 涡发生体),当流体流过旋涡发生体时,就会在其下游两侧交替产生向内旋转、间隔距离规则的两列非对称的漩涡列即卡门涡街。其漩涡频率正比于流体的平均流速 及发生体的迎流宽度d,有如下关系:

    f=Stυ/d   (1)

    式中:f———涡街频率;

    d———漩涡发生体宽度;

    υ———流体的平均流速;

    St———斯特劳哈尔数;

    St的值与漩涡发生体宽度d和雷诺数Re有关。

图1 涡街流量计测量原理

    当雷诺数Re<2×104情况下,St为变数;当Re在2×104~7×106的范围内,St值基本上保持不变,这段范围为流量计的基本测量范围。

    式(1)表明,当d和St为定值时,漩涡产生的频率f与流体的平均流速v成正比,而不受被测流体物理性质变化之影响。

    根据流体流动的连续性原理:

    Q=υA   (2)

    式中:Q———管道内流体的体积流量;

    A———漩涡发生体处的流通截面积;

    υ———流体的平均流速。

    将(2)式代入(1)得:

    f=QSt/Ad=KQ      (3)

    式中:K=St/Ad称为仪表系数。

    式(3)表明,漩涡发生体每秒钟释放的漩涡数(即涡街频率f)就代表流体通过管道的体积流量,且Q与f间呈线性关系。

    涡街流量传感器采用压电晶体元件检测漩涡分离频率。其漩涡释放频率的检测原理是这样的:漩涡在漩涡发生体两侧交替产生时,有一与流向垂直的 交变生力产生,它通过漩涡发生体两侧的导压孔,利用封装在探头体内部的压电晶体元件感受到这中交变应力,由于晶体的压电效应(压电元件在承受沿敏感轴方向 的外力作用时,压电元件表面聚集电荷,就产生电荷。当外力去掉时,它们又重新回到不带电的状态),压电晶体将产生频率与漩涡释放频率相同的交变电荷信号。 从压电晶体输出的交变电荷信号经转换放大器,输出频率与流量成比例的电压脉冲信号,或者输出4~20mA·DC标准信号。

    3 在实际应用中所遇问题及解决方案

    3.1 涡街流量计的管道内无液体流动,而显示仪表有流量指示

    120万t/a柴油加氢有一涡街流量计,2008年3月检修时发现管道内无液体流动,而显示仪表却有流量指示,经检查发现是由于灵敏度调的 太高引起的,或者电容Cf太低。因为电荷放大器是压电式传感器的前置放大器,它将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源,而且输出电压正比于输入电荷,电荷 放大器实际上是一个具有深度电容负反馈的高增益放大器,其等效电路如图2所示。

图2 压电传感器与电荷放大器连续的等效电路

    由于放大器的输入级采用了场效应晶体管,因此放大器的输入阻抗极高,放大器输入端几乎没有分流;电荷Q只对反馈电容Cf充电,由虚地原理可知,反馈电容Cf折合到放大器输入端的有效电容Cf1为:

    Cf1=(1+K)Cf设放大器输入电容为Ci,传感器内部电容为Ca,电缆电容为Cc,则放大器的输出电压:U0=-KQ/Ca+Cc+Ci+(1+k)Cf。

    当(1+K)Cf>>Ca+Cc+Ci时,放大器的输出电压为U0=-Q/Cf,根据现象分析是由于Cf调的太低所致,所以有仪表显示,如 果将Cf调高但仍然有输出,这时可将TP3的门槛电压提高,使电荷放大器的电压小于TP3的门槛电压,这时仪表显示输出为零,电路如图3所示。

图3 传感器测试频率点

    解决方法:解决这一问题需打开涡街流量计表盖用螺丝刀把电路板里GB、SB调的低一些即可,调SB就是将灵敏度1/Cf调的低一些,即将电容Cf增大,实际是将图3中的TP0进行调整,调GB就是将图3中TP3的门槛电压进行调整,最终使仪表恢复正常。

    3.2 变送器或传感器始终无输出

    烷基化管道内颗粒,污物含量有时较高,而涡街流量计的传感器探头与内壁只有很小的距离,这时如果有沙粒、污物堵在探头与内壁之间,便会使探 头不能振动,这样探头体内部的压电晶体元件就不能感受到这种交变应力,那么压电晶体表面就不会产生电荷,根据公式U0=-Q/Cf可知,电压输出为零。

    解决方法:用软锤子敲打测量直管段将卡在探头与内壁之间的沙粒振掉,这样探头就可以恢复振动源的作用,检测出流体通过漩涡发生体时的频率,从而检测出电信号使显示仪表恢复正常。

    3.3 变送器或传感器输出有较大波动

    120万t/a柴油加氢涡街流量计在试运行中,经常出现有显示仪表输出有较大波动,经检查发现是由于旁边压缩机强烈震动的干扰,由于受干扰 源和连接管道振动的影响,导致仪表指示有误,使仪表无法正常测量流量,因为在实际使用,传感器与测量仪器总有一定的距离,它们之间由长电缆连接,普通的信 号电缆是由聚乙烯或聚四氟乙烯做绝缘保护层的多股绞线组成,外部屏蔽是一个编织多股镀银金属套包在绝缘的材料上。工作时电缆受到弯曲或振动时,屏蔽套绝缘 层和电缆芯线之间可能发生相对移动或者摩擦,而产生静电荷。由于压电传感器是电容性的。这种静电荷不会很快消失,而会被直接送到电荷放大器,根据前面的公 式U0=-Q/Cf,可知U0会增大,对显示仪表的测量极为不利。


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