蒸汽流量計是一種在流量測量領(lǐng)域較常見的儀表，相比較于其他流量計，它有著無可比擬的優(yōu)點，其產(chǎn)品優(yōu)點主要表現(xiàn)為以下幾個方面：1）蒸汽流量計無可動部件，測量元件結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，使用壽命長。2）蒸汽流量計測量范圍寬。量程比一般能達到1：10。3）蒸汽流量計的體積流量不受被測流體的溫度、壓力、密度或粘度等熱工參數(shù)的影響。一般不需單獨標定。它可以測量液體、氣體或蒸汽的流量。4）它造成的壓力損失小。5）準確度較高，重復(fù)性為0.5％，且維護量小。但蒸汽流量計在工業(yè)應(yīng)用中并不十分普遍,顯然,并不是由于它的技術(shù)水平還沒有達到令人滿意的程度,而是由于用戶在選擇和應(yīng)用蒸汽流量計時缺乏應(yīng)有的應(yīng)用經(jīng)驗,在設(shè)計、選型、安裝時考慮問題過于簡單化了,正是基于以上理由,本文著重討論蒸汽流量計工業(yè)應(yīng)用中應(yīng)注意的問題及對策，為正確使用蒸汽流量計提供了科學(xué)依據(jù)。
1、蒸汽流量計抗管道振動和流體振動問題
振動問題是衡量一臺蒸汽流量計工業(yè)應(yīng)用好壞的一個重要指標。目前,很多工業(yè)用戶之所以對蒸汽流量計的應(yīng)用失去信心,在很大程度上是由于振動因素影響。工業(yè)中的振動是普遍存在的,目前較先進的蒸汽流量計都有一定的抗振動能力,對于一般的工業(yè)振動大部分都能消除。一般的工業(yè)振動頻率大都在幾赫到幾千赫,蒸汽流量計的漩渦頻率正好落在這個范圍之內(nèi),
本文以電容式、壓電式、超聲波式蒸汽流量計為例來說明其抗振性問題。
1.1電容式蒸汽流量計抗振動問題
電容式蒸汽流量計以E + H公司生產(chǎn)的Prowirl70為代表,它采用差動開關(guān)電容(DSC)傳感器,用來檢測漩渦壓力脈沖,差動電容結(jié)構(gòu)如圖1所示:
抗管道振動和流體振動能力:當(dāng)振動方向在縱向(順流向)或與漩渦發(fā)生體軸線相平行的方向振動時,由振動所產(chǎn)生的慣性力同時作用在振動體及電極上,使振動體都在同方向產(chǎn)生撓曲變形,由于設(shè)計時保證了振動體與電極幾何結(jié)構(gòu)與尺寸相匹配,使它們的變形量一致,差動信號輸出為0,從而使這兩個方向上的振動所產(chǎn)生的影響基本消除了。
但是,抗橫向(與漩渦升力方向一致)振動能力仍然很弱,因為在某一時刻,往復(fù)振動只在一個方向上對振動套筒發(fā)生應(yīng)力,如果振動明顯,必然在輸出信號上迭加振動分量,使輸出信號偏離真實值。電容式蒸汽流量計在頻率范圍為1～500Hz的縱向以及與發(fā)生體軸線相平行的方向的任何振動以及高達1g振動加速度沖擊基本能夠消除,所以本流量計具有二維方向的抗振動補償功能。
1.2壓電應(yīng)力式蒸汽流量計抗振動問題
壓電應(yīng)力式蒸汽流量計以YOKOGAWA的YF100E、Rosemount的8800A、F+P的VT/VR型為代表。
1.2.1 YOKOGAWA的YF100E的抗振動設(shè)計
YOKOGAWA的YF100E采用兩片圓形壓電元件,它們上、下封裝在漩渦發(fā)生體內(nèi)部(不與流體直接接觸),以此來感受漩渦升力和振動應(yīng)力。每片壓電元件沿中性面分割成兩個對稱的半圓,分別處于中性面的兩邊,且極化方向相反。兩片壓電元件采用并聯(lián)方式,每片壓電元件的兩半片組成一個電極,兩電極從上下兩片極性相反的電荷而引出。三個不同方向的振動力產(chǎn)生的電荷信號極性如圖2所示:
a振動方向與漩渦升力方向相同。此方向上的振動噪聲不能完全消除。
b振動方向與流體方向相同。此方向上的振動不能產(chǎn)生噪聲信號。
c振動方向與發(fā)生體軸向平行。此方向上的振動不能產(chǎn)生噪聲信號。
由此可見,YF100E同樣能抗二維振動(流動方向上及與發(fā)生體軸向平行的方向上),但抗橫向振動(升力方向)能力仍然較弱。
1.2.2　F+P的VT/VR抗振動設(shè)計
F+P蒸汽流量計采用對稱差動傳感器設(shè)計消除振動影響,即用四只壓電敏感元件構(gòu)成渦街傳感器,以安裝法蘭為中心,兩對反并聯(lián)壓電元件封裝在上、下對稱部位,每對壓電元件又以中性面為中心,分置中性面兩側(cè),如圖3,當(dāng)振動作用在X方向或Z方向時,四只壓電元件產(chǎn)生電荷相互抵消,如圖4,起到了X方向及Z方向的振動補償功能。當(dāng)漩渦升力交替作用在Y方向上時,只有中性面下兩片壓電晶體產(chǎn)生差動電荷信號,如圖5,由于兩片壓電片為并聯(lián)方式,所以輸出信號加倍。
當(dāng)振動信號作用在Y方向時,顯然振動信號迭加到漩渦升力上,此方向的振動仍不能克服。
由此可見,此傳感器結(jié)構(gòu)具有抗X方向, Z方向二維振動能力,對Y方向的振動干擾能力很弱。Rosemount 8800A智能蒸汽流量計采用質(zhì)量平衡結(jié)構(gòu)從機械上消除管道振動(或流體振動)影響,與YF100E相似,它只能克服流動方向及與漩渦發(fā)生體相平行方向的振動,而對升力方向上的振動仍然無法徹底克服。
總之,壓電式蒸汽流量計具有二維方向(順流向和漩渦發(fā)生體相平行方向)抗振動能力,無論如何,它抗升力方向上的振動仍然是很弱的。
1.3超聲波蒸汽流量計——真正的抗三維振動蒸汽流量計
超聲波蒸汽流量計目前成熟產(chǎn)品的廠家有日本OVAL公司(氣體),東機工公司(液體),橫河電機的UYF (液體)。
利用超聲波作為檢測元件的蒸汽流量計是將超聲波發(fā)射源和超聲波接收器按一定位置安裝在殼體外,如圖6。當(dāng)漩渦通過超聲波線束時,接收器接收到的超聲波線束速度發(fā)生變化,檢測速度變化的頻率作為漩渦的頻率信號,通過電子線路處理輸出能夠遠傳的信號。由于避開了檢測漩渦升力的方法,故它有別于壓電應(yīng)力式、電容式渦街檢測方法,即使配管振動和流體振動在各部位產(chǎn)生應(yīng)力,也不會產(chǎn)生敏感的噪聲信號,故獲得本質(zhì)上的高抗振性,而其測量精度和結(jié)構(gòu)尺寸等指標也與其它蒸汽流量計相似,本流量計具有良好的抗三維振動能力,抗振動加速度達3g以上。
綜上所述,電容式、壓電應(yīng)力式、超聲波式蒸汽流量計都有較好的抗振動能力,是目前市場上比較的品種。電容式和壓電應(yīng)力式只能抗二維振動,而超聲波具有抗三維振動能力。因此,在一般場合,小于1g振動加速度,振動頻率小于500HZ、振幅<2.1mm(用手摸有強烈的振感,有握不住的感覺),三種流量計都能滿足要求,但在振動特別強烈的場合,或有升力方向振動的場合,選用超聲波蒸汽流量計則是比較合適的。
必須特別指出,由于振動加速度是振幅和振動頻率的函數(shù),管道振幅小,振動加速度小;振動頻率小,加速度亦小,反之亦然。管道支撐只能減小振幅,但不能減少振動頻率。因此,在選擇流量計安裝位置時,振動頻率是一個不可忽視的因素。好在一般工業(yè)頻率都比較低(從幾赫到幾千赫),只要振幅不是太大,以上幾種型式的蒸汽流量計均可以滿足要求。同一種尺寸的蒸汽流量計,用在液體上的抗振動能力比用在氣體上強,這是由于氣體密度小,所產(chǎn)生漩渦升力較小的緣故。同樣,用在大流量上比用在小流量計抗振性強,因為大流量產(chǎn)生的漩渦比小流量更強烈。因此,根據(jù)介質(zhì)密度和流量選擇蒸汽流量計時要加以注意。
必須特別注意抗二維振動的蒸汽流量計的安裝,如果水平安裝的蒸汽流量計其振動干擾方向是與漩渦發(fā)生體相平行的方向,(此方向的振動是可以消除的),但是,當(dāng)將蒸汽流量計轉(zhuǎn)過90度,則與漩渦發(fā)生體相平行的方向上的振動對蒸汽流量計來說則變?yōu)樯Ψ较虻恼駝恿?會產(chǎn)生明顯的振動干擾信號,這是不允許的。很多蒸汽流量計廠家說明書聲稱其流量計可以任意角度安裝,恐怕此種說法欠妥。除非系統(tǒng)沒有任何振動或振動干擾很弱,在這種情況下是可以任意角度安裝的,否則,應(yīng)避免振動方向與漩渦升力方向相一致的安裝。
2、蒸汽流量計的選用問題
蒸汽流量計的選用要結(jié)合工藝介質(zhì)的特點、流量計的性能、經(jīng)濟性、安裝及環(huán)境五個方面來考慮。一般專業(yè)技術(shù)人員在選用蒸汽流量計時大都考慮了這五個方面的因素,在此不再贅述。需要特別指出的是,對于電容式、壓電應(yīng)力式和超聲波式蒸汽流量計在選擇時還要注意以下問題:
2.1對于介質(zhì)中含有粉塵和固體顆?；驊腋∥锏牧黧w不易選擇電容式蒸汽流量計。因為在漩渦發(fā)生體兩側(cè)有兩個導(dǎo)壓小孔,容易堵塞。例如,本體法生產(chǎn)聚丙烯,其循環(huán)丙烯中含有聚丙烯粉末,選用電容式蒸汽流量計則引起了導(dǎo)壓孔堵塞,使信號輸出為0。凡是帶有導(dǎo)壓小孔的其它蒸汽流量計具有相似的情況,如Eestech公司生產(chǎn)的熱(磁)敏式蒸汽流量計。
2.2蒸汽流量計的選擇不僅要考慮被測介質(zhì)的溫度,還要考慮檢修吹掃管線時吹掃介質(zhì)的溫度,這一點常常容易忽視。蒸汽流量計的被測介質(zhì)溫度可能是常溫,但是在檢修時需要用蒸汽吹掃管線,蒸汽的溫度在150℃以上,如果選型時只考慮到介質(zhì)的溫度而選擇適用溫度范圍低的蒸汽流量計,在檢修吹掃管線時,就有可能損壞敏感元件。
2.3超聲波蒸汽流量計雖然抗振性強,但適用溫度范圍不如電容式和壓電應(yīng)力式寬,一般不超過200℃,如果被測溫度超出此范圍,則可能損壞超聲波探頭。另一方面,超聲波流量計不易用在含有過多氣泡的液體或含有雜質(zhì)的液體測量中。因為含有過多氣泡的液體,超聲波不易穿過,可能造成測量上的困難甚至不可能測量。液體中含有異物會對超聲波起到慢反射或吸收作用,也影響測量的準確性。
2.4在使用狀態(tài)下,如果被測介質(zhì)有明顯的脈動,如羅茨風(fēng)機、壓縮機出口流量,則不易選擇超聲波蒸汽流量計。因為超聲波蒸汽流量計對小流量敏感度很高,在這種場合使用,會使輸出信號不穩(wěn)定而失真。
2.5在液體中混有大量氣泡的場合,不易選用各種蒸汽流量計。
3、蒸汽流量計的安裝問題
蒸汽流量計的安裝要考慮流量計的定位、液體流向、上游及下游直管段長度、配管直徑、環(huán)境影響(溫度、電磁幅射、腐蝕等)、振動情況、閥門的安裝、管道支撐等因素。一般要求流量計口徑和配管直徑一致且同心,上游直管段長度通常取決于上游阻力件(縮管、擴管、彎頭、閥門)形式,一般上游直管段長度要保證20D,下游為5D。當(dāng)上游阻力件為閘閥或截止閥時,必須保證上游直管的長度不少于40D。流量計的安裝地點要避開高溫、腐蝕、電磁幅射、振源,當(dāng)振動強烈時還應(yīng)考慮加支撐以減少振幅的影響。在把蒸汽流量計用于控制回路測量時,推薦把流量計裝在調(diào)節(jié)閥的下游測。
通常為了避免振動或不可預(yù)知的原因,在流量計上游側(cè)安裝節(jié)流圈、膨脹段或儲罐,以部分吸收流體的振動和沖擊,這在控制回路中尤為重要。另外,當(dāng)預(yù)知某一方向振動后,應(yīng)避免將流量計安裝在漩渦升力方向與振動方向一致的地方,這點特別引起注意!
超聲波蒸汽流量計處于水平管道安裝時,應(yīng)使超聲波探頭處在水平管道兩側(cè)的中間位置(即漩渦發(fā)生體處于上下垂直位置)。這樣做的理由在于,氣泡易于集聚在管道的上方,大的異物則沿管道底部流動,它們都將妨礙超聲波穿過。這種安裝方式,有效避免了以上現(xiàn)象的出現(xiàn),給測量帶來好處。
4、適用介質(zhì)問題
一般蒸汽流量計可以測量氣體、液體和蒸汽介質(zhì)流量,但由于各種介質(zhì)特性千差萬別,傳感器結(jié)構(gòu)形式各異,其適應(yīng)性也不同。壓電應(yīng)力式和電容式蒸汽流量計應(yīng)用范圍較廣,但在測量低密度(如H2)和低流速氣體時,由于受到漩渦能量的限制,發(fā)生漩渦不強烈,信號比較低;電容式蒸汽流量計由于存在兩個導(dǎo)壓小孔,不易測量臟物介質(zhì)流;超聲波蒸汽流量計雖然能測量低流速介質(zhì)流量(>0.2m/s),但對脈動流比較敏感;熱敏式蒸汽流量計靈敏度高,適宜于低溫(<120℃)低密度氣體測量,但因熱敏電阻用玻璃封裝、機械強度低。另外,當(dāng)檢測元件被流體污垢,檢測靈敏度降低,甚至無信號輸出,所以要針對不同介質(zhì)的特點,選擇合適的流量計。
5、高溫介質(zhì)測量問題
很明顯,超聲波蒸汽流量計由超聲探頭不能耐高溫,因此,它不能用于高溫介質(zhì)測量,它目前的測溫上限達200℃(YOKOGAWA UYF)。壓電式蒸汽流量計的測溫上限一般不超過300℃,但超過300℃,壓電元件長期處在高溫下,其傳感器的絕緣阻抗急劇下降,輸出信號變小,低頻特性惡化,抗干擾能力大為降低。這是由于壓電晶體多為鋯鈦酚鉛系列壓電陶瓷(PZT),它的居里點(失去壓電效應(yīng)的溫度)較低,只有300℃。另外壓電陶瓷除具有壓電性能外,還具有熱釋電性(即溫度變化也將引起電荷變化),在高溫下,熱輸出是一個非常討厭的噪聲源。相對來說,電容式蒸汽流量計具有較好的高溫測量能力,它的測溫上限達400℃。電容檢測元件有很好的耐高溫性能。
另外,無論哪一種蒸汽流量計,當(dāng)其用于高溫測量時,由于溫度變化使流量計的流通截面積發(fā)生變化,因此,必須對流量系數(shù)做修正
6、介質(zhì)溫度、壓力變化場合應(yīng)用問題
由于蒸汽流量計測量的是流過管道流體的體積流量,當(dāng)流體溫度、壓力變化頻繁時,必然引起密度發(fā)生變化,因此,必須對測量結(jié)果進行修正。這通常要借助于智能儀表或計算機,內(nèi)藏溫度或壓力補償公式,壓力測量點和溫度測量點選在流量計下游2D～7D的地方。
7、管道內(nèi)徑D與流量計口徑d的匹配問題
保證管道內(nèi)徑與流量計口徑相同是制造廠家對用戶使用蒸汽流量計的基本要求。但實際應(yīng)用表明,由于國外制造廠家流量計口徑標準不一,如DIN (德國標準)、JIS (日本標準)、ANSI (美國標準),這些標準的管道內(nèi)徑與我國GB標準管道內(nèi)徑在同一公稱通徑下存在差異。另外,公稱通徑相同時,由于壓力等級要求不一樣,管子的壁厚也不一樣。如英制管SCH40、SCH80兩種管號在同一公稱通徑下其內(nèi)徑不同。用戶在選擇和安裝蒸汽流量計時常常忽視管徑匹配問題,因而,容易引起附加誤差。
總之,應(yīng)盡量選擇合適的管道內(nèi)徑使之與流量計口徑相一致,這樣可以避免因管徑異變帶來的誤差。
8、蒸汽流量計代替孔板差壓流量計問題。
孔板流量計在目前流量測量家族中占有重要地位,它是工業(yè)生產(chǎn)中使用廣泛的一種流量計。蒸汽流量計是后起之秀,由于它有許多無可比擬的優(yōu)點,它的出現(xiàn)對孔板流量計產(chǎn)生了強有力的沖擊,但兩種流量計各有特點,文獻[4]對這兩種流量計的性能做了詳細評價,在許多場合用蒸汽流量計代替孔板流量計是適用的,但是在一些場合,蒸汽流量計無法取代孔板流量計。在一些特殊場合使用孔板比蒸汽流量計要好。在其他大部分場合,完全可用蒸汽流量計來代替孔板流量計測量流量。
9、蒸汽流量計日前需要解決的問題
蒸汽流量計在工程應(yīng)用中所暴露的某些問題,迫使各生產(chǎn)廠家發(fā)展更為實用和完美的蒸汽流量計,這要依賴于新技術(shù)、新工藝、新材料的發(fā)展。
1采用全數(shù)字化現(xiàn)場總線(fieldbus)技術(shù)。目前的蒸汽流量計所采用的HART通訊協(xié)議是一種過渡產(chǎn)品,并不代表現(xiàn)場儀表的發(fā)展方向。HART協(xié)議是一種4～20mA模擬信號與數(shù)字通訊信號兼容的標準,它采用頻移鍵控(FSK)技術(shù),在4～20mA的模擬信號上疊加幅度為0.5mA的正弦調(diào)制波,以頻率為1200HZ和2200HZ的正弦電流信號代表1和0,通訊信號只用于傳遞輔助信息和診斷信息。由于所疊加的正弦波信號平均值為0,所以數(shù)字通訊信號不會干擾4～20mA模擬信號。采用現(xiàn)場總線技術(shù)后,傳遞信號完全實現(xiàn)了全數(shù)字化,省去了A/D (或D/A)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié),避免了模數(shù)轉(zhuǎn)換誤差,精度進一步提高。另一方面,由于內(nèi)藏CPU,可實現(xiàn)多種控制算法,從而可實現(xiàn)就地調(diào)節(jié),省略了調(diào)節(jié)器以及大量電纜。因此,帶有現(xiàn)場總線技術(shù)的蒸汽流量計,前景不可估量。
2采用數(shù)字動態(tài)濾波器,**跟蹤渦街信號頻率,既使在十分惡劣的應(yīng)用環(huán)境中仍能提供高分辨率的信號,明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的低通和高通濾波器。
3采用先進的傳感器結(jié)構(gòu),消除任何方向的抗振動干擾,真正實現(xiàn)抗三維方向的振動流量計。
4敏感元件完全不與流體接觸,可在出現(xiàn)故障時**更換,方便拆卸。
5省去外供電,內(nèi)藏高能電池,在任何不易提供電源的地方也能方便使用。
6實現(xiàn)真正的廣義通用性,蒸汽流量計的電路板及敏感元件完全通用,節(jié)省備件數(shù)量,而且一臺蒸汽流量計既能測量不同溫度下的液體流量,也能測量氣體和蒸汽流量。
7無空洞設(shè)計,避免臟物介質(zhì)的堵塞,敏感元件布置在管外,全焊接結(jié)構(gòu)表體,從而消除任何儀表泄漏。
8實現(xiàn)真正質(zhì)量流量測量,發(fā)生體內(nèi)藏溫度元件和壓力元件,可對流體溫度和壓力的變化而引起密度的變化實現(xiàn)自動校正。
9無需標定,一個出廠的K系數(shù)可保持長期穩(wěn)定。
10溫度范圍進一步拓寬,允許測量更多的過程介質(zhì)。
蒸汽流量計目前的技術(shù)水平已發(fā)展到可在控制回路中較好地應(yīng)用。但是,由于所處環(huán)境、工藝介質(zhì)及管路系統(tǒng)等復(fù)雜性,真正應(yīng)用好蒸汽流量計,還需要廣大用戶在實踐中不斷摸索。可以相信,隨著制造工藝、新材料和微處理技術(shù)的發(fā)展,新一代的蒸汽流量計必將展示出更加優(yōu)異的性能。為越來越多的用戶所接受,未來的流量測量領(lǐng)域,蒸汽流量計必將占有重要的一環(huán)。

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