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          時間:2023-9-4 08:36:56

        電磁法檢測漩渦頻率的渦街流量計

        摘要:傳統的渦街流量計對管徑雷諾數Rep<104時的流量不能測量,且儀表的耐展性差,遇到安裝地點晨動或管道振動的場合,則測量結果經常失真,不能保證準確,并且儀表的安裝條件苛刻。文中介紹了基于電磁檢測法的電礅渦街流量計的原理、設計及如何克服上述缺點的舉措。
          自從1969年第一臺渦街流量計問世以來,由于可以測量氣體、液體和蒸汽的流量,而且結構簡單、范圍度寬、壓力損失低、輸出信號和流量呈線性關系、價格適中,使得渦街流量計的發展異常迅速,市場占有率上升到流量儀表的10%以上。渦街流量計在工業應用中仍然存在以下問題:
        (1)抗干擾性差,尤其對管道振動敏感,影響測量結果;
        (2)渦街流量計是速度式儀表,流體在管道流動時的分布畸變會影響漩渦的形式,要求在流量計的上游至少安裝10D(D為管道直徑)長度的直管段,下游則有5D的直管段;
        (3)測量時,被測流體必須滿足Rep≥2X104才能產生穩定的漩禍。
        1測量原理
          如圖1所示,電磁渦街流量計由二部分組成:轉換顯示電路(上部)和流量傳感器(下部)。流量傳感器主要由漩渦發生體、信號電極、永久磁鐵、殼體組成。渦街流量傳感器的工作原理如圖2所示。
          被測流體流經漩渦發生體時,當流量增大到一定程度時,流體會在漩渦發生體兩側產生交替變化的兩列漩渦。當兩列漩渦的距離h滿足公式h=1.3b時,產生的漩渦是穩定的。單列漩渦的頻率和流體流速之間呈下列關系:
         
          式中,v1為漩渦發生體兩側平均流速,m/s;b為漩渦發生體迎流面的最大寬度,m;St為斯特勞哈爾數,當雷諾數ReD≥2X104,漩渦發生體和管徑尺寸確定后,是一常數。將式(1)整理得
         
          當渦街流量計的柱寬比b/D=0.28時,經計算漩渦發生體兩側的流通面積S1為
         
          由式(4)知,對于已確定口徑的流量計,b、D固定。在一定的流量范圍內St是常數,所以K為一常數;則單列漩渦的頻率ƒ和流量qv成正比,只要檢測出漩渦的頻率數就可以知道被測流體的流量大小。
          由圖1可以看出,在滿渦發生體的下游有--處在磁場中心的電極,振動漩渦列向下游移動時作用于信號電極上,使信號電極產生和漩渦頻率相同頻率的振動。由電磁感應定律,信號電極在磁場中作切割磁力線運動,信號電極會產生感應電動勢。
         
          式中,Ex為感應電動勢,V;B為磁感應強度,T;d為信號電極直徑,m;V2為信號電極切割磁力線速度,m/s。
          流體流經漩渦發生體產生交替變化的游渦,湔渦作用于信號電極.上產生感應電勢Er,其極性也隨漩渦的交替變化而變化,Ex變化頻率就是漩渦的頻率。因此,只要測出信號電極輸出的感應電勢Ex,就可知道流體的體積流量qv。
        2傳感器的研制
        2.1傳感器殼體設計
        (1)采用了漸縮測量導管經一角度漸縮為管道直徑的4/5,傳感器本體經這樣設計后,在流量不變的條件下,流過傳感器的流速增加,管徑雷諾數Re增加,解決了拓寬測量下限的矛盾。從流體的連續性方程可得
         
          式中,S為管道內截面積,m2;v為流經管道內截面的平均流速,m/s;S1為流體流經有漸縮測量導管的漩渦發生體處的流通截面積,m2則
         
          上式說明,流經傳感器的流體,流速大大增加了,在被測量流體的其它條件不變的條件下。管徑雷諾數數值有很大的改變,經過計算可將流體的雷諾數下限從2X104降到2080,從而大大加寬了電磁渦街流量計的量程比。經現場實驗,電磁渦街流量計的量程比為25:1。
        (2)電磁渦街流量傳感器的漩渦發生體在三角柱的基礎上做了改進,將漩渦發生體迎流面、背流面設計成和梯形柱具有相同外接圓的圓柱面。漩渦發生體的迎流面設計成圓柱面,從而具有圓柱型漩渦發生體St較大的優點,在管徑和迎流面寬度相同的條件下,流過相同體積的流體時,漩渦發生體可以產生更多的漩禍,使渦街流量計可以測量比較小的流量,拓寬了流量測量下限。
          渦街流量計是速度式流量計,它是以測量流體流經管道的平均流速為測量依據的儀表。當流體流經漩渦發生體時,產生的漩渦容易受到傳感器上游側局部阻力件的影響,尤其是流體流經管道產生分布型畸變時,產生的謙渦質量將受到破壞,因此安裝渦街流量計時,上游側至少要有10D長度的直管段(一般為20D直管段長度),下游側要有5D長度的直管段。電磁渦街流量計本體經過上述巧妙設計后,可將上游側直管段長度要求縮短到6D,下游側直管段長度3D。
        2.2轉換電路設計
          電磁渦街流量計的轉換電路的任務是把流量傳感器輸出的感應電動勢信號轉換成瞬時流量、累積流量和標準頻率信號輸出。電磁檢測的渦街流量計轉換電路結構框圖如圖3所示。
         
          轉換電路工作過程是:被測流體流經電磁流量傳感器,產生漩渦,交替變化的漩渦推動信號電極在磁場中切割磁力線,從而產生感應電勢Ex,微弱的感應電勢信號Ex經前置放大、交流放大和低通濾波,然后由施密特獨發器整形為標準頻率脈沖,此信號進入微處理器CPU,進行各種運算,再經液晶顯示器顯示瞬時流量、累積流量等。為防止儀表掉電,在電路中設計了掉電保護裝置。為降低功耗,提高轉換電路的抗干擾功能,轉換電路所有的集成電路均采用微功耗器件[2],電源采用電池供電,使得儀表小巧美觀。其主要特點是:
        (1)采用電磁檢測漩渦的頻率,避開了檢測漩禍升力的方法,耐振動性好,消除了三維方向上的振動干擾,現場實驗也充分證明了這一優點。
        (2)電磁渦街流量傳感器的激磁裝置采用永久磁鐵。轉換電路由于采用了一系列的低功耗設計方法,因而可采用電池供電,不需要交流電源,直接消除了因交流供電而引入的工頻干擾,抗干擾能力強。
        3應用
          由于電磁法檢測漩渦頻率的電磁渦街流量計具有范圍度寬、耗電少、壽命長、抗振性好、安裝條件要求寬松的優點,因而應用范圍比較廣,F已經研推出DN15一DN200系列,DN40的測量精度可達0.8%,可用于測量大部分的氣體、液體流量,適用于.復雜的化工生產環境,適用溫度范圍可達-40℃~250℃,可以準確測量雷諾數大于3000的液體流量。本流量計屬于無空洞設計,具有避免骯臟介質堵塞的優點,適用于污水的測量。在通訊方面,本流量計采用了HART通訊協議,可進行遠程通訊。

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