關(guān)于兩線制氨氣流量計(jì)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)方案介紹

新型兩線制氨氣流量計(jì)（又稱渦街流量變送器）產(chǎn)品是根據(jù)卡曼渦街原理，采用磁敏式、壓電式檢測(cè)傳感器檢測(cè)漩渦發(fā)生體產(chǎn)生的頻率信號(hào)，作為信號(hào)處理器的輸入，經(jīng)過信號(hào)的檢測(cè)、濾波、放大、限幅、頻電轉(zhuǎn)換等處理，輸出標(biāo)準(zhǔn)4～20mA信號(hào)。產(chǎn)品具有系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化，流量測(cè)量壓損小、量程比寬、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)用范圍廣、工作穩(wěn)定可靠、便于安裝調(diào)試等特點(diǎn)，能夠適用于石油、化工、冶金、電力、醫(yī)藥、食品等行業(yè)的工業(yè)管道中氣體、蒸汽、液體多種介質(zhì)的流量精確測(cè)量，適用范圍廣。本文針對(duì)于兩線制氨氣流量計(jì)的測(cè)量原理、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)與改進(jìn)完善方法。氨氣流量計(jì)由漩渦發(fā)生體、檢測(cè)傳感器和信號(hào)處理器組成，集成了頻率信號(hào)產(chǎn)生、信號(hào)濾波和處理，產(chǎn)品經(jīng)過不斷地改進(jìn)完善，通過出廠試驗(yàn)及實(shí)際應(yīng)用證明氨氣流量計(jì)各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，已得到廣泛應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。
1、氨氣流量計(jì)的測(cè)量原理
氨氣流量計(jì)的檢測(cè)傳感器是根據(jù)卡曼渦街原理設(shè)計(jì)的，氨氣流量計(jì)儀表表體直徑與儀表的公稱口徑基本相同，一般通過卡裝或法蘭連接。表體內(nèi)安裝了一個(gè)近似為等腰三角形的柱體（以下簡(jiǎn)稱三角柱）。三角柱垂直安裝在表體中，底面迎向流體。當(dāng)管道中被測(cè)介質(zhì)流過三角柱時(shí)，在三角柱兩側(cè)交替產(chǎn)生旋渦，旋渦不斷產(chǎn)生和分離，在三角柱下游便形成了交錯(cuò)排列的兩列旋渦即“渦街”，安裝在流體管道中的三角柱即漩渦發(fā)生體，產(chǎn)生的這種旋渦稱為卡曼渦街，如圖1所示。

設(shè)三角柱迎流面寬度為d，表體內(nèi)徑為D，被測(cè)介質(zhì)在管道中的平均流速為V，旋渦的發(fā)生頻率為f，根據(jù)卡曼渦街原理，卡曼渦街的頻率有如下關(guān)系：
式中：f—分離頻率；Sr—斯特勞哈爾數(shù)（Strouhal number）；V—管道中的平均流速；d—三角柱的迎流面寬度。
公式（1）中的斯特勞哈爾數(shù)為無量綱參數(shù)，它與旋渦發(fā)生體形狀及雷諾數(shù)（Re）有關(guān)，如圖2所示。

在Re=2×104～7×106范圍內(nèi)，Sr可視為常數(shù)，雷諾數(shù)在這段范圍內(nèi)是渦街流量氨氣流量計(jì)線性測(cè)量范圍。由公式（1）可見，旋渦的分離頻率與流體流速成正比，通過檢測(cè)旋渦的分離頻率，可以測(cè)出流體速度，進(jìn)而測(cè)量出流體的瞬時(shí)體積流量。
旋渦交錯(cuò)分離，在三角柱兩側(cè)及后面的尾流中產(chǎn)生脈動(dòng)的壓力，設(shè)在三角柱內(nèi)部（或后面）的檢測(cè)傳感器受到這種微小的脈動(dòng)壓力的作用，使安裝在傳感器內(nèi)的壓電陶瓷元件受到交變應(yīng)力而產(chǎn)生交變電荷信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)放大器上的電荷放大、濾波限幅和觸發(fā)整形處理后，輸出頻率與旋渦分離頻率相同的方波電壓脈沖信號(hào)。傳感器輸出的每一個(gè)脈沖將代表一定體積的被測(cè)流體。一段時(shí)間內(nèi)的輸出總脈沖數(shù)，將代表這段時(shí)間內(nèi)流過傳感器的流體總體積。
式中：K—儀表系數(shù)（單位體積的脈沖數(shù)）；n—脈沖數(shù)；Qv—流體體積（m3）。
氨氣流量計(jì)傳感器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)K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)。
2、氨氣流量計(jì)的設(shè)計(jì)
氨氣流量計(jì)設(shè)計(jì)包括兩個(gè)部分：表體部分和信號(hào)處理器。
表體部分根據(jù)測(cè)量管徑可以設(shè)計(jì)為圓環(huán)式或插入式。表體與測(cè)量管道的連接方式分為法蘭卡裝式、法蘭連接式和插入式。頻率檢測(cè)傳感器根據(jù)測(cè)量介質(zhì)和測(cè)量環(huán)境不同可以選擇磁敏式、壓電式。
磁敏式傳感器應(yīng)用電磁感應(yīng)原理測(cè)量，是傳感器產(chǎn)品的一個(gè)重要組成部分，磁敏傳感器應(yīng)用的*大優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)無接觸測(cè)量；檢測(cè)頻率過高時(shí)，磁敏式傳感器運(yùn)動(dòng)部件容易損壞，因此磁敏式傳感器適用于檢測(cè)管道內(nèi)流速較低，產(chǎn)生的漩渦頻率較低的場(chǎng)合。
壓電式傳感器利用正壓電效應(yīng)進(jìn)行檢測(cè)。某些電介質(zhì)（如石英晶體、壓電陶瓷），當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生*化現(xiàn)象，同時(shí)在它的一定表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷*性也隨著改變。輸出電壓的頻率與動(dòng)態(tài)力的頻率相同；當(dāng)動(dòng)態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時(shí)，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。壓電式傳感器是一種典型的自發(fā)電式傳感器。兩線制渦街流量氨氣流量計(jì)采用的壓電傳感器主要檢測(cè)元件是壓電陶瓷。
壓電式傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、信噪比大等特點(diǎn)。由于它沒有運(yùn)動(dòng)部件，因此結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠性、穩(wěn)定性高，適用于流速高、頻率較高的測(cè)量場(chǎng)合。
為保證流體經(jīng)過三角柱時(shí)的流速比較平穩(wěn)，能后產(chǎn)生穩(wěn)定的漩渦頻率，氨氣流量計(jì)表體安裝應(yīng)與液體流動(dòng)方向垂直，三角柱的上游和下游應(yīng)保證一定長度的直管段，其長度應(yīng)符合前直管段15～20D，后直管段5～10D的要求。安裝液體傳感器的附近管道內(nèi)應(yīng)充滿被測(cè)液體，如果達(dá)不到滿管要求，應(yīng)進(jìn)行變徑處理。根據(jù)傳感器的測(cè)量原理，傳感器應(yīng)避免安裝在有強(qiáng)烈機(jī)械振動(dòng)的管道上。傳感器應(yīng)避免安裝在有較強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾、空間小和維修不方便的場(chǎng)合。
信號(hào)處理器對(duì)渦街流量傳感器產(chǎn)生的頻率信號(hào)經(jīng)過濾波、放大、頻電轉(zhuǎn)換等幾個(gè)環(huán)節(jié)處理，*終將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)4～20mA信號(hào)輸出。信號(hào)處理器框圖如圖3所示。

3、氨氣流量計(jì)設(shè)計(jì)的改進(jìn)完善
氨氣流量計(jì)研發(fā)成功投入市場(chǎng)以來，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過程中，發(fā)現(xiàn)氨氣流量計(jì)的信號(hào)處理器在設(shè)計(jì)方面存在一些不完善之處，在現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾較強(qiáng)場(chǎng)合會(huì)影響儀表的測(cè)量精度，因此需要對(duì)信號(hào)處理器電路及結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。
3.1 電源浮地問題的改進(jìn)
由于氨氣流量計(jì)的供電電源要求浮地，因此爆炸環(huán)境條件下使用的氨氣流量計(jì)配有隔離式安全柵。在非爆炸性環(huán)境條件下，由于現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)24V供電電源負(fù)端直接接地，用戶沒有按照要求對(duì)電源進(jìn)行浮地處理，造成氨氣流量計(jì)不能正常工作，甚至損壞電路板中元器件。因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備大部分為防止電磁干擾，需要電源直接接地，本氨氣流量計(jì)電源單獨(dú)需要浮地，用戶需單獨(dú)為本氨氣流量計(jì)提供電源，給用戶增加成本，因此需對(duì)氨氣流量計(jì)的信號(hào)處理器進(jìn)行改造，解決電源需要浮地的問題。
通過實(shí)驗(yàn)改變頻電轉(zhuǎn)換板中集成塊的工作電壓，使集成塊的電源地與氨氣流量計(jì)的24V DC直流電源直接相連；給信號(hào)放大器的輸入信號(hào)端增加電位平移電路，同時(shí)改進(jìn)電壓電流轉(zhuǎn)換電路。經(jīng)過上述改進(jìn)電路試驗(yàn)，氨氣流量計(jì)電源可以直接接地，解決了氨氣流量計(jì)供電電源需要浮地的問題，方便了用戶的使用。 在爆炸性環(huán)境條件下使用時(shí)，安全柵可以選用普通型，不用再選擇隔離式安全柵了。
3.2 流量波動(dòng)較大問題的改進(jìn)辦法
由于氨氣流量計(jì)采用兩線制電路，輸出標(biāo)準(zhǔn)4～20mA信號(hào)，信號(hào)處理器的自身功耗不能過大。因此對(duì)渦街流量傳感器信號(hào)的放大、濾波等處理電路不能太復(fù)雜，需要靠調(diào)整部分元器件的參數(shù)值來滿足不同介質(zhì)和不同測(cè)量范圍。出廠標(biāo)定時(shí)，因?yàn)闃?biāo)定現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾、振動(dòng)干擾等影響因素較弱，標(biāo)定好的參數(shù)在用戶現(xiàn)場(chǎng)因?yàn)榄h(huán)境不同、干擾信號(hào)強(qiáng)弱不同，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量出現(xiàn)不穩(wěn)定情況，特別是在流量較低時(shí)，流量波動(dòng)較大，必須派維修人員到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，因此在電路板設(shè)計(jì)時(shí)將幾組參數(shù)的元器件同時(shí)焊接在電路板上，調(diào)試維修時(shí)通過撥動(dòng)開關(guān)加以組合選擇，用戶就可以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，方便用戶的使用，提高了測(cè)量的精度。
3.3 氨氣流量計(jì)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)
3.3.1 接線端子的改進(jìn)
氨氣流量計(jì)為方便用戶現(xiàn)場(chǎng)觀察流量變化，設(shè)計(jì)帶有現(xiàn)場(chǎng)指示的4～20mA流量表頭。接線時(shí)需要將指示表頭拆下來，接線后需要重新安裝表頭，給現(xiàn)場(chǎng)施工人員帶來不便。針對(duì)這個(gè)問題，改進(jìn)了氨氣流量計(jì)的信號(hào)處理器殼體結(jié)構(gòu)，將接線端子調(diào)整到線路板一側(cè)，表頭一側(cè)不再進(jìn)行接線，方便了儀表的安裝。
3.3.2 指示表頭線路的改進(jìn)
現(xiàn)場(chǎng)指示表頭串聯(lián)在4～20mA電流輸出電路中，一旦表頭出現(xiàn)損壞斷路，造成氨氣流量計(jì)無法正常工作?，F(xiàn)場(chǎng)指示表頭的指針靈敏度高，在運(yùn)輸和使用過程中*易出現(xiàn)指針卡住、指示不準(zhǔn)或損壞現(xiàn)象，除了選擇質(zhì)量可靠的指示表頭廠家外，同時(shí)在電路中加以改進(jìn)。在表頭后正向并一個(gè)開關(guān)二*管，表頭出現(xiàn)損壞后，氨氣流量計(jì)仍然能正常工作。
在表頭后正向并聯(lián)開關(guān)二*管即能解決表頭損壞后氨氣流量計(jì)仍能正常供電工作問題，也不會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響。因?yàn)殡娏鞅肀眍^的內(nèi)阻約為6Ω左右，正常工作時(shí)通過表頭的電流在4～20mA之間，根據(jù)歐姆定律，正常工作時(shí)表頭兩端的電壓在0.024～0.12V之間，遠(yuǎn)低于二*管的導(dǎo)通電壓0.7V，同時(shí)也遠(yuǎn)低于二*管的死區(qū)電壓0.5V，因此正常工作時(shí)，正向并聯(lián)的二*管正向等效電阻很大，正向電流幾乎為零，不會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。出現(xiàn)指示表頭損壞斷路時(shí)，正向并聯(lián)的開關(guān)二*管導(dǎo)通，氨氣流量計(jì)仍能正常工作，輸出4～20mA電流信號(hào)。
4、氨氣流量計(jì)的特點(diǎn)
渦街流量傳感器檢測(cè)具有不受流體組分、密度、溫度、壓力的影響，無可動(dòng)部件、產(chǎn)品無磨損、耐臟污，無需機(jī)械維修，可靠性高、使用壽命長；測(cè)量范圍寬，一般量程度可達(dá)10：1以上；整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，壓力損失約為孔板流量計(jì)的1/4～1/2，壓力損失較小；在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)，輸出頻率信號(hào)不受流體的密度、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)；與節(jié)流式差壓流量計(jì)相比較，無需導(dǎo)壓管和三閥組等，不易出現(xiàn)泄漏、堵塞和凍結(jié)等現(xiàn)象，不易結(jié)垢，耐高溫、高壓；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固，安裝方便，維護(hù)費(fèi)較低；應(yīng)用范圍廣泛，可適用液體、氣體和蒸氣等不同介質(zhì)的測(cè)量。
氨氣流量計(jì)有多種信號(hào)和規(guī)格，有磁敏式、壓電式檢測(cè)方式，能夠適用于流量計(jì)量的大部分場(chǎng)合要求，廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、城市集中供暖以及紡織和食品等行業(yè)。本氨氣流量計(jì)采用本質(zhì)安全型結(jié)構(gòu)，與安全柵一起組成本質(zhì)安全系統(tǒng)。
由于氨氣流量計(jì)不適用于低雷諾數(shù)流量測(cè)量，在管道內(nèi)介質(zhì)粘度高、流速低、管徑小等情況下測(cè)量精度無法保證，應(yīng)用受到限制；并且氨氣流量計(jì)對(duì)測(cè)量管道的機(jī)械振動(dòng)較敏感，不宜安裝于有強(qiáng)振動(dòng)的場(chǎng)所。選擇傳感器安裝場(chǎng)所時(shí)盡量避開振動(dòng)源，采取加裝管道支撐物等措施，減小測(cè)量管道的振動(dòng)幅度，降低振動(dòng)對(duì)測(cè)量信號(hào)的干擾，提高測(cè)量的精確度。
5、結(jié)論
研制的兩線制氨氣流量計(jì)，根據(jù)測(cè)量介質(zhì)及工況環(huán)境選擇適宜的測(cè)量傳感器，以達(dá)到較高的工作可靠性和測(cè)量精確度。通過實(shí)際應(yīng)用及線路及結(jié)構(gòu)的不斷改進(jìn)，兩線制渦街流量氨氣流量計(jì)性能得到了完善和提高，使用方便、可靠，得到了廣泛的應(yīng)用，已累計(jì)生產(chǎn)四百多臺(tái)，為企業(yè)創(chuàng)造產(chǎn)值三百多萬元，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

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