關于兩線制氨氣流量計的設計與改進方案介紹
點擊次數：2797 發(fā)布時間：2021-01-08 07:14:51
新型兩線制氨氣流量計（又稱渦街流量變送器）產品是根據卡曼渦街原理，采用磁敏式、壓電式檢測傳感器檢測漩渦發(fā)生體產生的頻率信號，作為信號處理器的輸入，經過信號的檢測、濾波、放大、限幅、頻電轉換等處理，輸出標準4～20mA信號。產品具有系列化、標準化、通用化，流量測量壓損小、量程比寬、結構簡單、應用范圍廣、工作穩(wěn)定可靠、便于安裝調試等特點，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、液體多種介質的流量精確測量，適用范圍廣。本文針對于兩線制氨氣流量計的測量原理、設計實現與改進完善方法。氨氣流量計由漩渦發(fā)生體、檢測傳感器和信號處理器組成，集成了頻率信號產生、信號濾波和處理，產品經過不斷地改進完善，通過出廠試驗及實際應用證明氨氣流量計各項性能指標達到了設計要求，已得到廣泛應用，取得了良好的經濟效益。
1、氨氣流量計的測量原理
氨氣流量計的檢測傳感器是根據卡曼渦街原理設計的，氨氣流量計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。表體內安裝了一個近似為等腰三角形的柱體（以下簡稱三角柱）。三角柱垂直安裝在表體中，底面迎向流體。當管道中被測介質流過三角柱時，在三角柱兩側交替產生旋渦，旋渦不斷產生和分離，在三角柱下游便形成了交錯排列的兩列旋渦即“渦街”，安裝在流體管道中的三角柱即漩渦發(fā)生體，產生的這種旋渦稱為卡曼渦街，如圖1所示。
設三角柱迎流面寬度為d，表體內徑為D，被測介質在管道中的平均流速為V，旋渦的發(fā)生頻率為f，根據卡曼渦街原理，卡曼渦街的頻率有如下關系：
式中：f—分離頻率；Sr—斯特勞哈爾數（Strouhal number）；V—管道中的平均流速；d—三角柱的迎流面寬度。
公式（1）中的斯特勞哈爾數為無量綱參數，它與旋渦發(fā)生體形狀及雷諾數（Re）有關，如圖2所示。
在Re=2×104～7×106范圍內，Sr可視為常數，雷諾數在這段范圍內是渦街流量氨氣流量計線性測量范圍。由公式（1）可見，旋渦的分離頻率與流體流速成正比，通過檢測旋渦的分離頻率，可以測出流體速度，進而測量出流體的瞬時體積流量。
旋渦交錯分離，在三角柱兩側及后面的尾流中產生脈動的壓力，設在三角柱內部（或后面）的檢測傳感器受到這種微小的脈動壓力的作用，使安裝在傳感器內的壓電陶瓷元件受到交變應力而產生交變電荷信號。該信號經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。傳感器輸出的每一個脈沖將代表一定體積的被測流體。一段時間內的輸出總脈沖數，將代表這段時間內流過傳感器的流體總體積。
式中：K—儀表系數（單位體積的脈沖數）；n—脈沖數；Qv—流體體積（m3）。
氨氣流量計傳感器輸出的脈沖頻率信號不受流體物性和組分變化的影響，即儀表系數K在一定雷諾數范圍內僅與旋渦發(fā)生體及管道的形狀尺寸等有關。
2、氨氣流量計的設計
氨氣流量計設計包括兩個部分：表體部分和信號處理器。
表體部分根據測量管徑可以設計為圓環(huán)式或插入式。表體與測量管道的連接方式分為法蘭卡裝式、法蘭連接式和插入式。頻率檢測傳感器根據測量介質和測量環(huán)境不同可以選擇磁敏式、壓電式。
磁敏式傳感器應用電磁感應原理測量，是傳感器產品的一個重要組成部分，磁敏傳感器應用的*大優(yōu)點是可以實現無接觸測量；檢測頻率過高時，磁敏式傳感器運動部件容易損壞，因此磁敏式傳感器適用于檢測管道內流速較低，產生的漩渦頻率較低的場合。
壓電式傳感器利用正壓電效應進行檢測。某些電介質（如石英晶體、壓電陶瓷），當沿著一定方向對其施力而使它變形時，內部就產生極化現象，同時在它的一定表面上產生電荷，當外力去掉后，又重新恢復不帶電狀態(tài)的現象。當作用力方向改變時，電荷極性也隨著改變。輸出電壓的頻率與動態(tài)力的頻率相同；當動態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時，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采用的壓電傳感器主要檢測元件是壓電陶瓷。
壓電式傳感器具有體積小、質量輕、信噪比大等特點。由于它沒有運動部件，因此結構堅固、可靠性、穩(wěn)定性高，適用于流速高、頻率較高的測量場合。
為保證流體經過三角柱時的流速比較平穩(wěn)，能后產生穩(wěn)定的漩渦頻率，氨氣流量計表體安裝應與液體流動方向垂直，三角柱的上游和下游應保證一定長度的直管段，其長度應符合前直管段15～20D，后直管段5～10D的要求。安裝液體傳感器的附近管道內應充滿被測液體，如果達不到滿管要求，應進行變徑處理。根據傳感器的測量原理，傳感器應避免安裝在有強烈機械振動的管道上。傳感器應避免安裝在有較強電磁場干擾、空間小和維修不方便的場合。
信號處理器對渦街流量傳感器產生的頻率信號經過濾波、放大、頻電轉換等幾個環(huán)節(jié)處理，*終將頻率信號轉換為標準4～20mA信號輸出。信號處理器框圖如圖3所示。
3、氨氣流量計設計的改進完善
氨氣流量計研發(fā)成功投入市場以來，現場運行過程中，發(fā)現氨氣流量計的信號處理器在設計方面存在一些不完善之處，在現場電磁干擾較強場合會影響儀表的測量精度，因此需要對信號處理器電路及結構進行改進。
3.1 電源浮地問題的改進
由于氨氣流量計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配有隔離式安全柵。在非爆炸性環(huán)境條件下，由于現場標準24V供電電源負端直接接地，用戶沒有按照要求對電源進行浮地處理，造成氨氣流量計不能正常工作，甚至損壞電路板中元器件。因為現場設備大部分為防止電磁干擾，需要電源直接接地，本氨氣流量計電源單獨需要浮地，用戶需單獨為本氨氣流量計提供電源，給用戶增加成本，因此需對氨氣流量計的信號處理器進行改造，解決電源需要浮地的問題。
通過實驗改變頻電轉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的24V DC直流電源直接相連；給信號放大器的輸入信號端增加電位平移電路，同時改進電壓電流轉換電路。經過上述改進電路試驗，氨氣流量計電源可以直接接地，解決了氨氣流量計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，安全柵可以選用普通型，不用再選擇隔離式安全柵了。
3.2 流量波動較大問題的改進辦法
由于氨氣流量計采用兩線制電路，輸出標準4～20mA信號，信號處理器的自身功耗不能過大。因此對渦街流量傳感器信號的放大、濾波等處理電路不能太復雜，需要靠調整部分元器件的參數值來滿足不同介質和不同測量范圍。出廠標定時，因為標定現場電磁干擾、振動干擾等影響因素較弱，標定好的參數在用戶現場因為環(huán)境不同、干擾信號強弱不同，現場測量出現不穩(wěn)定情況，特別是在流量較低時，流量波動較大，必須派維修人員到現場進行參數調整，因此在電路板設計時將幾組參數的元器件同時焊接在電路板上，調試維修時通過撥動開關加以組合選擇，用戶就可以現場調試，方便用戶的使用，提高了測量的精度。
3.3 氨氣流量計結構的改進
3.3.1 接線端子的改進
氨氣流量計為方便用戶現場觀察流量變化，設計帶有現場指示的4～20mA流量表頭。接線時需要將指示表頭拆下來，接線后需要重新安裝表頭，給現場施工人員帶來不便。針對這個問題，改進了氨氣流量計的信號處理器殼體結構，將接線端子調整到線路板一側，表頭一側不再進行接線，方便了儀表的安裝。
3.3.2 指示表頭線路的改進
現場指示表頭串聯在4～20mA電流輸出電路中，一旦表頭出現損壞斷路，造成氨氣流量計無法正常工作。現場指示表頭的指針靈敏度高，在運輸和使用過程中極易出現指針卡住、指示不準或損壞現象，除了選擇質量可靠的指示表頭廠家外，同時在電路中加以改進。在表頭后正向并一個開關二極管，表頭出現損壞后，氨氣流量計仍然能正常工作。
在表頭后正向并聯開關二極管即能解決表頭損壞后氨氣流量計仍能正常供電工作問題，也不會對測量結果造成影響。因為電流表表頭的內阻約為6Ω左右，正常工作時通過表頭的電流在4～20mA之間，根據歐姆定律，正常工作時表頭兩端的電壓在0.024～0.12V之間，遠低于二極管的導通電壓0.7V，同時也遠低于二極管的死區(qū)電壓0.5V，因此正常工作時，正向并聯的二極管正向等效電阻很大，正向電流幾乎為零，不會影響測量結果。出現指示表頭損壞斷路時，正向并聯的開關二極管導通，氨氣流量計仍能正常工作，輸出4～20mA電流信號。
4、氨氣流量計的特點
渦街流量傳感器檢測具有不受流體組分、密度、溫度、壓力的影響，無可動部件、產品無磨損、耐臟污，無需機械維修，可靠性高、使用壽命長；測量范圍寬，一般量程度可達10：1以上；整體結構設計合理，壓力損失約為孔板流量計的1/4～1/2，壓力損失較小；在一定雷諾數范圍內，輸出頻率信號不受流體的密度、粘度和組分的影響，即儀表系數僅與旋渦發(fā)生體及管道的形狀尺寸有關，只需在一種典型介質中校驗而適用于各種介質；與節(jié)流式差壓流量計相比較，無需導壓管和三閥組等，不易出現泄漏、堵塞和凍結等現象，不易結垢，耐高溫、高壓；結構簡單牢固，安裝方便，維護費較低；應用范圍廣泛，可適用液體、氣體和蒸氣等不同介質的測量。
氨氣流量計有多種信號和規(guī)格，有磁敏式、壓電式檢測方式，能夠適用于流量計量的大部分場合要求，廣泛應用于石油、化工、冶金、城市集中供暖以及紡織和食品等行業(yè)。本氨氣流量計采用本質安全型結構，與安全柵一起組成本質安全系統(tǒng)。
由于氨氣流量計不適用于低雷諾數流量測量，在管道內介質粘度高、流速低、管徑小等情況下測量精度無法保證，應用受到限制；并且氨氣流量計對測量管道的機械振動較敏感，不宜安裝于有強振動的場所。選擇傳感器安裝場所時盡量避開振動源，采取加裝管道支撐物等措施，減小測量管道的振動幅度，降低振動對測量信號的干擾，提高測量的精確度。
5、結論
研制的兩線制氨氣流量計，根據測量介質及工況環(huán)境選擇適宜的測量傳感器，以達到較高的工作可靠性和測量精確度。通過實際應用及線路及結構的不斷改進，兩線制渦街流量氨氣流量計性能得到了完善和提高，使用方便、可靠，得到了廣泛的應用，已累計生產四百多臺，為企業(yè)創(chuàng)造產值三百多萬元，取得了良好的經濟效益。
1、氨氣流量計的測量原理
氨氣流量計的檢測傳感器是根據卡曼渦街原理設計的，氨氣流量計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。表體內安裝了一個近似為等腰三角形的柱體（以下簡稱三角柱）。三角柱垂直安裝在表體中，底面迎向流體。當管道中被測介質流過三角柱時，在三角柱兩側交替產生旋渦，旋渦不斷產生和分離，在三角柱下游便形成了交錯排列的兩列旋渦即“渦街”，安裝在流體管道中的三角柱即漩渦發(fā)生體，產生的這種旋渦稱為卡曼渦街，如圖1所示。
設三角柱迎流面寬度為d，表體內徑為D，被測介質在管道中的平均流速為V，旋渦的發(fā)生頻率為f，根據卡曼渦街原理，卡曼渦街的頻率有如下關系：
式中：f—分離頻率；Sr—斯特勞哈爾數（Strouhal number）；V—管道中的平均流速；d—三角柱的迎流面寬度。
公式（1）中的斯特勞哈爾數為無量綱參數，它與旋渦發(fā)生體形狀及雷諾數（Re）有關，如圖2所示。
在Re=2×104～7×106范圍內，Sr可視為常數，雷諾數在這段范圍內是渦街流量氨氣流量計線性測量范圍。由公式（1）可見，旋渦的分離頻率與流體流速成正比，通過檢測旋渦的分離頻率，可以測出流體速度，進而測量出流體的瞬時體積流量。
旋渦交錯分離，在三角柱兩側及后面的尾流中產生脈動的壓力，設在三角柱內部（或后面）的檢測傳感器受到這種微小的脈動壓力的作用，使安裝在傳感器內的壓電陶瓷元件受到交變應力而產生交變電荷信號。該信號經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。傳感器輸出的每一個脈沖將代表一定體積的被測流體。一段時間內的輸出總脈沖數，將代表這段時間內流過傳感器的流體總體積。
式中：K—儀表系數（單位體積的脈沖數）；n—脈沖數；Qv—流體體積（m3）。
氨氣流量計傳感器輸出的脈沖頻率信號不受流體物性和組分變化的影響，即儀表系數K在一定雷諾數范圍內僅與旋渦發(fā)生體及管道的形狀尺寸等有關。
2、氨氣流量計的設計
氨氣流量計設計包括兩個部分：表體部分和信號處理器。
表體部分根據測量管徑可以設計為圓環(huán)式或插入式。表體與測量管道的連接方式分為法蘭卡裝式、法蘭連接式和插入式。頻率檢測傳感器根據測量介質和測量環(huán)境不同可以選擇磁敏式、壓電式。
磁敏式傳感器應用電磁感應原理測量，是傳感器產品的一個重要組成部分，磁敏傳感器應用的*大優(yōu)點是可以實現無接觸測量；檢測頻率過高時，磁敏式傳感器運動部件容易損壞，因此磁敏式傳感器適用于檢測管道內流速較低，產生的漩渦頻率較低的場合。
壓電式傳感器利用正壓電效應進行檢測。某些電介質（如石英晶體、壓電陶瓷），當沿著一定方向對其施力而使它變形時，內部就產生極化現象，同時在它的一定表面上產生電荷，當外力去掉后，又重新恢復不帶電狀態(tài)的現象。當作用力方向改變時，電荷極性也隨著改變。輸出電壓的頻率與動態(tài)力的頻率相同；當動態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時，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采用的壓電傳感器主要檢測元件是壓電陶瓷。
壓電式傳感器具有體積小、質量輕、信噪比大等特點。由于它沒有運動部件，因此結構堅固、可靠性、穩(wěn)定性高，適用于流速高、頻率較高的測量場合。
為保證流體經過三角柱時的流速比較平穩(wěn)，能后產生穩(wěn)定的漩渦頻率，氨氣流量計表體安裝應與液體流動方向垂直，三角柱的上游和下游應保證一定長度的直管段，其長度應符合前直管段15～20D，后直管段5～10D的要求。安裝液體傳感器的附近管道內應充滿被測液體，如果達不到滿管要求，應進行變徑處理。根據傳感器的測量原理，傳感器應避免安裝在有強烈機械振動的管道上。傳感器應避免安裝在有較強電磁場干擾、空間小和維修不方便的場合。
信號處理器對渦街流量傳感器產生的頻率信號經過濾波、放大、頻電轉換等幾個環(huán)節(jié)處理，*終將頻率信號轉換為標準4～20mA信號輸出。信號處理器框圖如圖3所示。
3、氨氣流量計設計的改進完善
氨氣流量計研發(fā)成功投入市場以來，現場運行過程中，發(fā)現氨氣流量計的信號處理器在設計方面存在一些不完善之處，在現場電磁干擾較強場合會影響儀表的測量精度，因此需要對信號處理器電路及結構進行改進。
3.1 電源浮地問題的改進
由于氨氣流量計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配有隔離式安全柵。在非爆炸性環(huán)境條件下，由于現場標準24V供電電源負端直接接地，用戶沒有按照要求對電源進行浮地處理，造成氨氣流量計不能正常工作，甚至損壞電路板中元器件。因為現場設備大部分為防止電磁干擾，需要電源直接接地，本氨氣流量計電源單獨需要浮地，用戶需單獨為本氨氣流量計提供電源，給用戶增加成本，因此需對氨氣流量計的信號處理器進行改造，解決電源需要浮地的問題。
通過實驗改變頻電轉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的24V DC直流電源直接相連；給信號放大器的輸入信號端增加電位平移電路，同時改進電壓電流轉換電路。經過上述改進電路試驗，氨氣流量計電源可以直接接地，解決了氨氣流量計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，安全柵可以選用普通型，不用再選擇隔離式安全柵了。
3.2 流量波動較大問題的改進辦法
由于氨氣流量計采用兩線制電路，輸出標準4～20mA信號，信號處理器的自身功耗不能過大。因此對渦街流量傳感器信號的放大、濾波等處理電路不能太復雜，需要靠調整部分元器件的參數值來滿足不同介質和不同測量范圍。出廠標定時，因為標定現場電磁干擾、振動干擾等影響因素較弱，標定好的參數在用戶現場因為環(huán)境不同、干擾信號強弱不同，現場測量出現不穩(wěn)定情況，特別是在流量較低時，流量波動較大，必須派維修人員到現場進行參數調整，因此在電路板設計時將幾組參數的元器件同時焊接在電路板上，調試維修時通過撥動開關加以組合選擇，用戶就可以現場調試，方便用戶的使用，提高了測量的精度。
3.3 氨氣流量計結構的改進
3.3.1 接線端子的改進
氨氣流量計為方便用戶現場觀察流量變化，設計帶有現場指示的4～20mA流量表頭。接線時需要將指示表頭拆下來，接線后需要重新安裝表頭，給現場施工人員帶來不便。針對這個問題，改進了氨氣流量計的信號處理器殼體結構，將接線端子調整到線路板一側，表頭一側不再進行接線，方便了儀表的安裝。
3.3.2 指示表頭線路的改進
現場指示表頭串聯在4～20mA電流輸出電路中，一旦表頭出現損壞斷路，造成氨氣流量計無法正常工作。現場指示表頭的指針靈敏度高，在運輸和使用過程中極易出現指針卡住、指示不準或損壞現象，除了選擇質量可靠的指示表頭廠家外，同時在電路中加以改進。在表頭后正向并一個開關二極管，表頭出現損壞后，氨氣流量計仍然能正常工作。
在表頭后正向并聯開關二極管即能解決表頭損壞后氨氣流量計仍能正常供電工作問題，也不會對測量結果造成影響。因為電流表表頭的內阻約為6Ω左右，正常工作時通過表頭的電流在4～20mA之間，根據歐姆定律，正常工作時表頭兩端的電壓在0.024～0.12V之間，遠低于二極管的導通電壓0.7V，同時也遠低于二極管的死區(qū)電壓0.5V，因此正常工作時，正向并聯的二極管正向等效電阻很大，正向電流幾乎為零，不會影響測量結果。出現指示表頭損壞斷路時，正向并聯的開關二極管導通，氨氣流量計仍能正常工作，輸出4～20mA電流信號。
4、氨氣流量計的特點
渦街流量傳感器檢測具有不受流體組分、密度、溫度、壓力的影響，無可動部件、產品無磨損、耐臟污，無需機械維修，可靠性高、使用壽命長；測量范圍寬，一般量程度可達10：1以上；整體結構設計合理，壓力損失約為孔板流量計的1/4～1/2，壓力損失較小；在一定雷諾數范圍內，輸出頻率信號不受流體的密度、粘度和組分的影響，即儀表系數僅與旋渦發(fā)生體及管道的形狀尺寸有關，只需在一種典型介質中校驗而適用于各種介質；與節(jié)流式差壓流量計相比較，無需導壓管和三閥組等，不易出現泄漏、堵塞和凍結等現象，不易結垢，耐高溫、高壓；結構簡單牢固，安裝方便，維護費較低；應用范圍廣泛，可適用液體、氣體和蒸氣等不同介質的測量。
氨氣流量計有多種信號和規(guī)格，有磁敏式、壓電式檢測方式，能夠適用于流量計量的大部分場合要求，廣泛應用于石油、化工、冶金、城市集中供暖以及紡織和食品等行業(yè)。本氨氣流量計采用本質安全型結構，與安全柵一起組成本質安全系統(tǒng)。
由于氨氣流量計不適用于低雷諾數流量測量，在管道內介質粘度高、流速低、管徑小等情況下測量精度無法保證，應用受到限制；并且氨氣流量計對測量管道的機械振動較敏感，不宜安裝于有強振動的場所。選擇傳感器安裝場所時盡量避開振動源，采取加裝管道支撐物等措施，減小測量管道的振動幅度，降低振動對測量信號的干擾，提高測量的精確度。
5、結論
研制的兩線制氨氣流量計，根據測量介質及工況環(huán)境選擇適宜的測量傳感器，以達到較高的工作可靠性和測量精確度。通過實際應用及線路及結構的不斷改進，兩線制渦街流量氨氣流量計性能得到了完善和提高，使用方便、可靠，得到了廣泛的應用，已累計生產四百多臺，為企業(yè)創(chuàng)造產值三百多萬元，取得了良好的經濟效益。