本文以電容式、壓電式、超聲波式沼氣流量表為例來說明其抗振性問題。
1.1電容式沼氣流量表抗振動問題
電容式沼氣流量表以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(shí),由振動所產(chǎn)生的慣性力同時(shí)作用在振動體及電*上,使振動體都在同方向產(chǎn)生撓曲變形,由于設(shè)計(jì)時(shí)保證了振動體與電*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(gè)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?yàn)樵谀骋粫r(shí)刻,往復(fù)振動只在一個(gè)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(shí)值。電容式沼氣流量表在頻率范圍為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(dá)1g振動加速度沖擊基本能夠消除,所以本流量計(jì)具有二維方向的抗振動補(bǔ)償功能。
1.2壓電應(yīng)力式沼氣流量表抗振動問題
壓電應(yīng)力式沼氣流量表以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(jì)
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(gè)對稱的半圓,分別處于中性面的兩邊,且*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(gè)電*,兩電*從上下兩片*性相反的電荷而引出。三個(gè)不同方向的振動力產(chǎn)生的電荷信號*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(jì)
F+P沼氣流量表采用對稱差動傳感器設(shè)計(jì)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(shí),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(bǔ)償功能。當(dāng)漩渦升力交替作用在Y方向上時(shí),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(shí),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智能沼氣流量表采用質(zhì)量平衡結(jié)構(gòu)從機(jī)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,壓電式沼氣流量表具有二維方向(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超聲波沼氣流量表——真正的抗三維振動沼氣流量表
超聲波沼氣流量表目前成熟產(chǎn)品的廠家有日本OVAL公司(氣體),東機(jī)工公司(液體),橫河電機(jī)的UYF (液體)。
利用超聲波作為檢測元件的沼氣流量表是將超聲波發(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(shí),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(yuǎn)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(biāo)也與其它沼氣流量表相似,本流量計(jì)具有良好的抗三維振動能力,抗振動加速度達(dá)3g以上。
綜上所述,電容式、壓電應(yīng)力式、超聲波式沼氣流量表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(qiáng)烈的振感,有握不住的感覺),三種流量計(jì)都能滿足要求,但在振動特別強(qiáng)烈的場合,或有升力方向振動的場合,選用超聲波沼氣流量表則是比較合適的。
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(jì)安裝位置時(shí),振動頻率是一個(gè)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,以上幾種型式的沼氣流量表均可以滿足要求。同一種尺寸的沼氣流量表,用在液體上的抗振動能力比用在氣體上強(qiáng),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(jì)抗振性強(qiáng),因?yàn)榇罅髁慨a(chǎn)生的漩渦比小流量更強(qiáng)烈。因此,根據(jù)介質(zhì)密度和流量選擇沼氣流量表時(shí)要加以注意。
必須特別注意抗二維振動的沼氣流量表的安裝,如果水平安裝的沼氣流量表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)將沼氣流量表轉(zhuǎn)過90度,則與漩渦發(fā)生體相平行的方向上的振動對沼氣流量表來說則變?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。很多沼氣流量表廠家說明書聲稱其流量計(jì)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、沼氣流量表的選用問題
沼氣流量表的選用要結(jié)合工藝介質(zhì)的特點(diǎn)、流量計(jì)的性能、經(jīng)濟(jì)性、安裝及環(huán)境五個(gè)方面來考慮。一般專業(yè)技術(shù)人員在選用沼氣流量表時(shí)大都考慮了這五個(gè)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)力式和超聲波式沼氣流量表在選擇時(shí)還要注意以下問題:
2.1對于介質(zhì)中含有粉塵和固體顆粒或懸浮物的流體不易選擇電容式沼氣流量表。因?yàn)樵阡鰷u發(fā)生體兩側(cè)有兩個(gè)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,選用電容式沼氣流量表則引起了導(dǎo)壓孔堵塞,使信號輸出為0。凡是帶有導(dǎo)壓小孔的其它沼氣流量表具有相似的情況,如Eestech公司生產(chǎn)的熱(磁)敏式沼氣流量表。
2.2沼氣流量表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(shí)吹掃介質(zhì)的溫度,這一點(diǎn)常常容易忽視。沼氣流量表的被測介質(zhì)溫度可能是常溫,但是在檢修時(shí)需要用蒸汽吹掃管線,蒸汽的溫度在150℃以上,如果選型時(shí)只考慮到介質(zhì)的溫度而選擇適用溫度范圍低的沼氣流量表,在檢修吹掃管線時(shí),就有可能損壞敏感元件。
2.3超聲波沼氣流量表雖然抗振性強(qiáng),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(jì)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?yàn)楹羞^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(zhǔn)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(jī)、壓縮機(jī)出口流量,則不易選擇超聲波沼氣流量表。因?yàn)槌暡?strong>沼氣流量表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,不易選用各種沼氣流量表。
3、沼氣流量表的安裝問題
沼氣流量表的安裝要考慮流量計(jì)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(jì)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(kuò)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(shí),必須保證上游直管的長度不少于40D。流量計(jì)的安裝地點(diǎn)要避開高溫、腐蝕、電磁幅射、振源,當(dāng)振動強(qiáng)烈時(shí)還應(yīng)考慮加支撐以減少振幅的影響。在把沼氣流量表用于控制回路測量時(shí),推薦把流量計(jì)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(jì)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(jì)安裝在漩渦升力方向與振動方向一致的地方,這點(diǎn)特別引起注意!
超聲波沼氣流量表處于水平管道安裝時(shí),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。