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公司生產的Prowirl70為代表,它采用差動開關電容(DSC)傳感器,用來檢測漩渦壓力脈沖,差動電容結構如圖1所示:
抗管道振動和流體振動能力:當振動方向在縱向(順流向)或與漩渦發生體軸線相平行的方向振動時,由振動所產生的慣性力同時作用在振動體及電*上,使振動體都在同方向產生撓曲變形,由于設計時保證了振動體與電*幾何結構與尺寸相匹配,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,往復振動只在一個方向上對振動套筒發生應力,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。電容式沼氣流量表在頻率范圍為1～500Hz的縱向以及與發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壓電應力式沼氣流量表抗振動問題
壓電應力式沼氣流量表以YOKOGAWA的YF100E、Rosemount的8800A、F+P的VT/VR型為代表。
1.2.1 YOKOGAWA的YF100E的抗振動設計
YOKOGAWA的YF100E采用兩片圓形壓電元件,它們上、下封裝在漩渦發生體內部(不與流體直接接觸),以此來感受漩渦升力和振動應力。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*化方向相反。兩片壓電元件采用并聯方式,每片壓電元件的兩半片組成一個電*,兩電*從上下兩片*性相反的電荷而引出。三個不同方向的振動力產生的電荷信號*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生噪聲信號。
c振動方向與發生體軸向平行。此方向上的振動不能產生噪聲信號。
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抗振動設計
F+P沼氣流量表采用對稱差動傳感器設計消除振動影響,即用四只壓電敏感元件構成渦街傳感器,以安裝法蘭為中心,兩對反并聯壓電元件封裝在上、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,如圖3,當振動作用在X方向或Z方向時,四只壓電元件產生電荷相互抵消,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生差動電荷信號,如圖5,由于兩片壓電片為并聯方式,所以輸出信號加倍。
當振動信號作用在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,此傳感器結構具有抗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量平衡結構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沼氣流量表是將超聲波發射源和超聲波接收器按一定位置安裝在殼體外,如圖6。當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生應力,也不會產生敏感的噪聲信號,故獲得本質上的高抗振性,而其測量精度和結構尺寸等指標也與其它沼氣流量表相似,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,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,這是由于氣體密度小,所產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,因為大流量產生的漩渦比小流量更強烈。因此,根據介質密度和流量選擇沼氣流量表時要加以注意。
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生體相平行的方向,(此方向的振動是可以消除的),但是,當將沼氣流量表轉過90度,則與漩渦發生體相平行的方向上的振動對沼氣流量表來說則變為升力方向的振動了,會產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可以任意角度安裝,恐怕此種說法欠妥。除非系統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合工藝介質的特點、流量計的性能、經濟性、安裝及環境五個方面來考慮。一般專業技術人員在選用沼氣流量表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、壓電應力式和超聲波式沼氣流量表在選擇時還要注意以下問題:
2.1對于介質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。因為在漩渦發生體兩側有兩個導壓小孔,容易堵塞。例如,本體法生產聚丙烯,其循環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壓孔堵塞,使信號輸出為0。凡是帶有導壓小孔的其它沼氣流量表具有相似的情況,如Eestech公司生產的熱(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的溫度,還要考慮檢修吹掃管線時吹掃介質的溫度,這一點常常容易忽視。沼氣流量表的被測介質溫度可能是常溫,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,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,但適用溫度范圍不如電容式和壓電應力式寬,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在使用狀態下,如果被測介質有明顯的脈動,如羅茨風機、壓縮機出口流量,則不易選擇超聲波沼氣流量表。因為超聲波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的定位、液體流向、上游及下游直管段長度、配管直徑、環境影響(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,當振動強烈時還應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,推薦把流量計裝在調節閥的下游測。
通常為了避免振動或不可預知的原因,在流量計上游側安裝節流圈、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,當預知某一方向振動后,應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!
超聲波沼氣流量表處于水平管道安裝時,應使超聲波探頭處在水平管道兩側的中間位置(即漩渦發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,有效避免了以上現象的出現,給測量帶來好處。