西森自动化:涡街流量计的结构和设计

西森9年口碑,专业解决10万客户测量方案 | [在线咨询]    2016-09-22 15:24:12
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【文章导读】 西森涡街流量计由传感器和转换器两部分组成。传感器包括表体、旋涡发生体、检测元件、安装架和法兰等。转换器包括前置放大器、滤波整形电路、接线端子、表壳等。

涡街流量计如图所示,由传感器和转换器两部分组成。传感器包括表体、旋涡发生体、检测元件、安装架和法兰等。转换器包括前置放大器、滤波整形电路、接线端子、表壳等。近年来,智能式仪表还将CPU、存储单元、显示单元、通信单元及其他功能也装在转换器中,形成智能组合型涡街流量计。


涡街流量计结构-西森 

旋涡发生体

 

旋涡发生体是涡街流量计的关键件,一般采用不锈钢制成,仪表的流量特性(如仪表系数、线性度、范围等)和阻力特性(如压力损失)都与旋涡发生体密切相关。旋涡发生体有圆柱形、梯形柱、三角柱、T形柱、矩形柱等;按结构又可分为单体和多体。旋涡发生体的基本形状如图所示。


漩涡发生体的基本形状-西森

 

圆柱形旋涡发生体是形状最简单的旋涡发生体,加工方便,阻力系数小,St比较高,但是随着雷诺数的变化,其旋涡分离点随着圆柱表面移动,涡街的稳定性和仪表线性度较差,现基本不用。单体三角柱形旋涡发生体是应用最广泛的一种。多体旋涡发生体由主发生体和辅助发生体组成,位于上游的发生体起分流和起旋作用,位于下游的发生体可起到提高涡街强度和稳定旋涡的作用。双体或多体旋涡发生体是为了提高涡街强度和稳定性,降低下限雷诺数和阻力系数而逐步采用的。这里给出其中几种基型旋涡发生体的特性(见表),供设计时参考。


基型旋涡发生体的特性

发生体

名称

横截面

形状

St

特点

圆柱体

0.21

形状简单、易加工、St最大、旋涡强度较弱,需采取边界控制措施才能形成稳定的旋涡

矩形柱体

0.17

旋涡强烈且稳定、压损大、St较强,可在发生体内或尾部检测旋涡

三角形柱体

0.14~0.16

旋涡强度适中且稳定、损失小、在较宽的Re范围内St的线性程度几乎是理想值,使用最普遍

梯形柱

与T形柱

梯形

0.166

它是三角形的变形、刚度好、压损适中、 梯形柱适用于应力检测;T形柱适用于差压检测;它们应用广泛,旋涡强烈且稳定

 

旋涡发生体是检测器的核心,它的形状和尺寸对涡街的强度、稳定性、信噪比有着密切的关系。

 

设计发生体时,要求旋涡强度大,即可以获得稳定的旋涡,另一方面其形状又要使他的阻力系数不要太大。目前理论设计资料极少,一般采用相似原理,来确定其他规格的相应参数,这里给出作者设计的资料以供大家设计时参考:

 

(1)三角柱旋涡发生体

三角柱旋涡发生体如图所示。


三角柱漩涡发生体


其尺寸关系如下:

d/D=0.2~0.3;

C/D=0.1~0.2;

b/d=1~1.5;

Q=15°~65°。

 

(2)T形旋涡发生体

T形旋涡发生体如图所示。


T型漩涡发生体-西森


其几何尺寸关系:

d/D=0.27

h/d=1.2

h/b=4.1

b/c=6.678

g/b=1.25

Q1=60°;

Q2= 19°。

 

这里给出T形发生体尺寸(见表),以供参考。

T形发生体尺寸表

公称尺寸/mm

d/mm

h/mm

b/mm

c/mm

g/mm

Q1

Q2

DN25

6.75

8.2

2.0

0.3

2.5

60°

19°

DN40

10.8

13.2

3.2

0.4

4.0

60°

19°

DN50

13.5

16.5

4.0

0.5

5.0

60°

19°

DN80

21.6

26.4

6.4

0.8

8.0

60°

19°

DN100

27.0

33.0

8.0

1.0

10

60°

19°

DN150

40.5

49.5

12.0

1.5

15

60°

19°

 

检测元件

检测元件大都安装在下游发生体内,或上下游附近。早期的旋涡发生体,都是单体的,检测元件都是安装在旋涡发生体内的;现在多采用压电元件型,即多体旋涡发生体,上游的发生体起分流和起旋作用,位于下游的发生体除起提高涡街强度和稳定旋涡作用外,因为发生体内安装有检测元件,还起着检测旋涡频率的作用,一般生产厂家把它叫做探头。随着现代生产的专业化,已有厂家专一生产探头销售,如武汉市航宇压电科技有限公司就生产涡街流量传感器用的检测头(探头)。如有刚起步生产涡街流量计的企业,自己对检测头不明白就可以先购买,当自己掌握加工、封装技术后再自己设计加工生产。

 

旋涡信号的检测技术很多,主要有受力检测和流速检测两类,受力检测一般有应变、应力、电磁、电容等检测技术;而流速检测一般有光电、热敏、超声等检测技术。

 

(1)应力式涡街流量计

应力式结构现一般采用双体发生体,上游发生体一般用三角柱发生体,下游发生体采用探头,其发生体安装相互位置如图所示。它把检测元件受到的升力以应力形式作用在压电晶体元件上,转换成交变的电荷信号,经电荷放大、滤波、整形后得到漩涡频率信号。压电传感器响应快、信号强、工艺性好、制造成本低、与测量介质不接触、可靠性高,仪表工作温度范围宽,现场适用性强,可靠性较高,它是涡街流量计的主要产品类型。但它对管道振动较敏感,设计时要引起注意。

 

(2)电容式涡街流量计

电容式结构:在涡街流量计的传感器中的电容检测元件相当于一个悬臂梁,当旋涡产生时,在两侧形成微小的压差,使振动体绕支点产生微小变形,从而导致一个电容间隙减少(电容量增大)另一个电容间隙增大(电容量下降),通过差分电路检测电容差值。当管道有振动时,不管振动是何方向,由振动产生的惯性力同时作用在振动体及电极上,使振动体与电极都在同方向上产生变形,由于设计时保证了振动体和电极的几何结构与尺寸相匹配,使它们的变形量一致,差动信号为零。这就是电容检测元件耐振性能好的原因。电容式的最大优点是耐温高达400℃,当温度升高到400℃时,无论电容值变化或漏电流增大都未能影响仪表的基本性能。

 

(3)热敏式涡街流量计

热敏式结构是将热敏电阻安装在发生体内或装在发生体迎流面上。旋涡分离引起局部流速变化,改变热敏电阻值,恒流电路把桥路电阻变化转换为交变电压信号。这种仪表检测灵敏度较高,下限流速低,对振动不敏感,可用于清洁、无腐蚀性流体测量。


涡街流量计厂家-西森

 

(4)超声式涡街流量计

超声式结构是在管壁上安装两对超声探头,一对发射高频、连续声信号,声波横穿流体传播。当旋涡通过声束时,每一对旋转方向相反的旋涡对声波产生一个周期的调制作用,受调制声波被接收探头转换成电信号,经放大、检波、整形后得到旋涡信号。这种方式仪表有较高检测灵敏度,下限流速较低,但温度对声调制有影响,流场变化及液体中含有的气泡对测量影响较大,故仪表适用于温度变化小的气体和含气量微小的液体流量测量。

 

(5)振动体式涡街流量计

振动体式结构是在旋涡发生体轴向开设圆柱形深孔,孔内放置软磁材料制作的轻质空心的小球或圆盘(振动体),旋涡分离产生的差压推动振动体上下运动,位于振动体上方的电磁传感器检测出旋涡频率。它只适用于清洁度较高的流体(如蒸气),可用于极高和极低温度的测量。

 

(6)光电式涡街流量计

光电式涡街流量计的旋涡分离产生的差压被引到外面,作用到可绕拉紧带摆动的反射镜上,发光管发射的光被发射到光电管,反射镜受交变差压作用而摆动,光电管接收到的光强同步变化, 通过光电放大器、整形电路输出涡街脉冲信号。采用光纤传感器同样可以测量涡街信号。

 

涡街流量计被测介质有液体、气体和蒸气,应避免多相流和高黏度流体;测量精度为0.5%~2%;重复性为0.2%0.25%。流量计必须按照JJG 1029—2007《涡街流量计检定规程》进行出厂检定。

 

涡街流量计不适用于低雷诺数(通常ReD≤2×lO4)的流量测量,在高黏度、低流速、大口径时应受到限制;口径越大频率分辨率越低,所以仪表口径一般不大于300mm。


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