涡街流量计（精选7篇）
涡街流量计 篇1
摘要：对于在海洋石油工业中应用的涡街流量计,在理论分析的基础上,对于生产实践中积累的测量数据,进行了归纳研究。得出了一些初步的结论,以供后续工程设计和实际应用参考。
关键词：涡街流量计,海洋油气生产,实验评测,探索
0 引言
在海洋石油油气生产中,随着生产要求的不断提高,各种类型的流量计应用越来越为广泛。主要对于涡街流量计在海上石油平台相关应用,进行初步研究,并结合实际生产中积累的大量详实生产数据,分析在海上油气生产的实际工况下,此类型流量计应用的效果,并对后续工程设计和使用提供参考意见。
1 研究背景介绍
1.1 涡街流量计简述
涡街流量计(又称旋涡流量计)是一种基于流体振荡原理的新型速度式流量仪表,以其对流体物性变化的不敏感性,高可靠性,高精度等特点而被广泛应用于工业现场。自20世纪60年代末诞生以来,涡街流量计发展迅速,70年代、80年代是涡街流量计的快速发展时期,随着各种新型的检测方法的出现,推进各种新型的涡街流量计产品也纷纷问世。涡街流量计不仅要继续朝着高性能的方向发展,而且新型的涡街流量计与元器件将朝着小型化(微型化)、数字化、智能化方向奋进。
1.2 涡街流量计的特点与应用
涡街流量计作为新型的速度式流量仪表,从诞生以来就得到了快速的发展,这和其自身优越特点是密不可分的。涡街流量计的主要特点如下:a)输出与流体流速成正比的脉冲信号,不存在零点漂移问题。在流量仪表中有不少仪表输出的是模拟信号,于是存在零漂问题,特别是在小流量状态时对测量精度的影响就相当大;b)测量工作状态体积流量,对流体的物理性变化不敏感。在一定雷诺数范围内,旋涡的频率仅与流体体积流量成正比,而对流体的物理特性变化不敏感。由于这一特点,使得生产厂商与用户都获得极大的便利,如涡街流量计可在一种介质中标定后确定它的仪表系数,就可在其他介质中使用了。这一特点还为涡街流量计实现干标定、发生体标准化提供了有利的条件;c)量程范围宽,测量精度高,压力损失小,适用于多种介质。大多数涡街流量计的量程比可达到10:1以上,有的可达到20:1甚至30:1;测量液体的精度为±0.5%~±1%,测量气体的精度为±1%~±1.5%;涡街流量计的压力损失仅为孔板流量计的1/4~1/2;涡街流量计能够测量液体、气体和蒸汽流量,而很多其它流量计不具备这个特点;d)采用了多种检测技术,充分利用各种检测技术的优点。热敏、力敏、超声、光电、磁电等检测技术都被采用到涡街流量计中,利用它们的优点,对于不同的情况可选用不同的检测技术;e)无可动部件,可靠性高;结构简单,安装方便灵活。正是由于这一系列的优点,使得在流量仪表家族中还是一个小弟弟的涡街流量计成为了一个新宠儿,30多年的发展已使它跻身通用流量计之列。丰富多彩的产品世界使其在现代工业现场大展拳脚,在各种液体、气体及蒸汽的流量测量中形成优势互补,满足从低温到高温、从小口径到大口径各种介质的流量测量需求。
1.3 涡街流量的发展
涡街流量计近20 a发展迅速,因其对被测介质物性不敏感,可以测量液体、气体以及蒸汽而广泛应用于工业现场,在海洋石油平台上的应用也越来越广泛。海洋石油工程设计院所,对于在何种测量介质、测量工况下,使用此类型流量计,已经有了初步的设计规范。由于海上生产平台空间有限,如何在有限的安装空间内,保证流量计测量精度、可重复性等指标达到初始设计指标,成为一个很重要的问题。本文选取了海洋石油平台上,此类型流量计的一些典型应用工况,以此为研究基础,进行实验设计、采集基础数据,得出一些初步结论,对于今后类似工况使用提供一些参考。
2 实验情况介绍
针对以上需要,我们联系了兄弟单位仪表标定中心,根据现场的实验条件,进行了实验设计,主要对不同前后直管段、上游单弯头和全开球形阀阻流件对涡街流量计性能的影响进行实验研究。具体实验方案:a)涡街流量计上游存在单弯头阻流件。分别对涡街流量计的前后直管段长度进行变换,下游后直管段5D,分别选取上游直管段长度为1D/3D/5D/10D/15D/20D,下游直管段长为3D/5D,进行组合实流实验研究;b)涡街流量计上游存在闸阀阻流件。同样参照弯头的研究方法设计实验内容,分别选取上游直管段长为1D/3D/5D/10D/15D,下游直管段长为3D/5D,进行组合实流实验研究。
2.1 实验评价指标介绍
计算机通过涡街流量计输出信号进行采样的脉冲数Ni,每次测量流经涡街流量计的液体体积Vi,计算出每个流量点每次测量的仪表系数Ki:
每个测量点经过n次测量后期仪表系数:
最后流量计的仪表系数:
b)平均仪表系数相对误差
基准实验:前直管段100D,后直管段10D;
c)线性度ε
d)不确定度δ
每个流量点的不确定度为:
δ=max(δm);
e)附加不确定度Δδ
Δδ=δj-δ0,
δj:涡街流量计的不确定度(阻流件条件下);
δ0:基准实验涡街流量计的不确定度。
2.2 弯头阻流件实验数据及初步结论
通过弯头阻流件实验,得出实验数据,见表1。
由表1可得实验初步结论:当涡街流量计上游存在单弯头阻流件时,要使涡街流量计获得良好性能,安装条件必须满足:前直管段5D及以上,后直管段3D及以上的前后直管段组合。
2.3 球形阀阻流件实验数据及初步结论
通过球形阀阻流件实验,得出实验数据,见表2。
由表2可得实验初步结论:当涡街流量计上游存在全开球形阀阻流件时,要使涡街流量计获得良好性能,安装条件必须满足:前直管段5D及以上,后直管段3D及以上的前后直管段组合。
2.4 综合结论
前直管段对涡街流量计的影响:一般而言,前直管段越短时,涡街流量计的平均仪表系数越大,平均仪表系数的相对误差越大,线性度也越差。后直管段对涡街流量计的影响:在前直管段较长时,后直管段的影响作用不大;当前直管段较短时,后直管段越短会加剧前直管段的影响作用。所以前直管段的长度对涡街流量计的性能起主要作用。涡街流量计在较大流量时的性能略优于其在低流量时的性能。
3 结语
就涡街流量计的使用工况进行初步研究,结合海洋石油工业中遇到的典型工况,进行了实验与理论结合的研究,并得到了初步的研究结论,对于以后海上石油工业此类流量计的应用,有一定的参考意义。
参考文献
[1]易继锴,侯媛彬.智能控制技术[M].北京:北京工业大学出版社,1999:60-77.
[2]常健生.检测与转换技术[M].北京:机械工业出版社,1989:339-348.
涡街流量计 篇2
在炼油、化工等生产过程中, 对管道内液体和气体的流量进行测量和控制是实现生产过程自动化的重要组成部分。涡街流量计在兰州石化设备维修公司应用范围越来越广泛, 生产中遇到的问题也越来越多, 加之安装、使用、维护人员的水平差异, 使得出现的问题不能迅速解决, 一定程度上影响了生产的正常进行。在特定的流动条件下, 一部分流体动能转化为流体振动, 其振动频率与流速成正比例关系, 根据这种原理工作的流量计称为流体振动流量计。
涡街流量计, 主要用于工业管道介质流体的流量测量, 如气体、液体、蒸气等多种介质。其特点是压力损失小, 量程范围大, 精度高, 在测量工况体积流流量时几乎不受流体密度、压力、温度、粘度等参数的影响。无可动机械零件, 因此可靠性高, 维护量小。仪表参数能长期稳定。
2 工作原理
涡街流量计是基于卡门涡街原理制成的一种流体振荡性流量计, 其测量原理如图1所示。即在被测流体中插入一个非流线型的对称形状的物体 (即漩涡发生体) , 当流体流过旋涡发生体时, 就会在其下游两侧交替产生向内旋转、间隔距离规则的两列非对称的漩涡列即卡门涡街。其漩涡频率正比于流体的平均流速及发生体的迎流宽度d, 有如下关系:
f=Stv/d (1)
式中:f——涡街频率;
d——漩涡发生体宽度;
v——流体的平均流速;
St——斯特劳哈尔数;
St的值与漩涡发生体宽度d和雷诺数Re有关。
当雷诺数Re<2×104情况下, St为变数;当Re在2×104~7×106的范围内, St值基本上保持不变, 这段范围为流量计的基本测量范围。
式 (1) 表明, 当d和St为定值时, 漩涡产生的频率f与流体的平均流速v成正比, 而不受被测流体物理性质变化之影响。
根据流体流动的连续性原理:
Q=vA (2)
式中:Q——管道内流体的体积流量;
A——漩涡发生体处的流通截面积;
v——流体的平均流速。
将 (2) 式代入 (1) 得:
f=QSt/Ad=KQ (3)
式中:K=St/Ad称为仪表系数。
式 (3) 表明, 漩涡发生体每秒钟释放的漩涡数 (即涡街频率f) 就代表流体通过管道的体积流量, 且Q与f间呈线性关系。
涡街流量传感器采用压电晶体元件检测漩涡分离频率。其漩涡释放频率的检测原理是这样的:漩涡在漩涡发生体两侧交替产生时, 有一与流向垂直的交变生力产生, 它通过漩涡发生体两侧的导压孔, 利用封装在探头体内部的压电晶体元件感受到这中交变应力, 由于晶体的压电效应 (压电元件在承受沿敏感轴方向的外力作用时, 压电元件表面聚集电荷, 就产生电荷。当外力去掉时, 它们又重新回到不带电的状态) , 压电晶体将产生频率与漩涡释放频率相同的交变电荷信号。从压电晶体输出的交变电荷信号经转换放大器, 输出频率与流量成比例的电压脉冲信号, 或者输出4~20mA·DC标准信号。
3 在实际应用中所遇问题及解决方案
3.1 涡街流量计的管道内无液体流动, 而显示仪表有流量指示
120万t/a柴油加氢有一涡街流量计, 2008年3月检修时发现管道内无液体流动, 而显示仪表却有流量指示, 经检查发现是由于灵敏度调的太高引起的, 或者电容Cf太低。因为电荷放大器是压电式传感器的前置放大器, 它将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源, 而且输出电压正比于输入电荷, 电荷放大器实际上是一个具有深度电容负反馈的高增益放大器, 其等效电路如图2所示。
由于放大器的输入级采用了场效应晶体管, 因此放大器的输入阻抗极高, 放大器输入端几乎没有分流;电荷Q只对反馈电容Cf充电, 由虚地原理可知, 反馈电容Cf折合到放大器输入端的有效电容Cf1为:
Cf1= (1+K) Cf 设放大器输入电容为Ci, 传感器内部电容为Ca, 电缆电容为Cc, 则放大器的输出电压:U0=-KQ/Ca+Cc+Ci+ (1+k) Cf。
当 (1+K) Cf>>Ca+Cc+Ci时, 放大器的输出电压为U0=-Q/Cf, 根据现象分析是由于Cf调的太低所致, 所以有仪表显示, 如果将Cf调高但仍然有输出, 这时可将TP3的门槛电压提高, 使电荷放大器的电压小于TP3的门槛电压, 这时仪表显示输出为零, 电路如图3所示。
解决方法:解决这一问题需打开涡街流量计表盖用螺丝刀把电路板里GB、SB调的低一些即可, 调SB就是将灵敏度1/Cf调的低一些, 即将电容Cf增大, 实际是将图3中的TP0进行调整, 调GB就是将图3中TP3的门槛电压进行调整, 最终使仪表恢复正常。
3.2 变送器或传感器始终无输出
烷基化管道内颗粒, 污物含量有时较高, 而涡街流量计的传感器探头与内壁只有很小的距离, 这时如果有沙粒、污物堵在探头与内壁之间, 便会使探头不能振动, 这样探头体内部的压电晶体元件就不能感受到这种交变应力, 那么压电晶体表面就不会产生电荷, 根据公式U0=-Q/Cf可知, 电压输出为零。
解决方法:用软锤子敲打测量直管段将卡在探头与内壁之间的沙粒振掉, 这样探头就可以恢复振动源的作用, 检测出流体通过漩涡发生体时的频率, 从而检测出电信号使显示仪表恢复正常。
3.3 变送器或传感器输出有较大波动
120万t/a柴油加氢涡街流量计在试运行中, 经常出现有显示仪表输出有较大波动, 经检查发现是由于旁边压缩机强烈震动的干扰, 由于受干扰源和连接管道振动的影响, 导致仪表指示有误, 使仪表无法正常测量流量, 因为在实际使用, 传感器与测量仪器总有一定的距离, 它们之间由长电缆连接, 普通的信号电缆是由聚乙烯或聚四氟乙烯做绝缘保护层的多股绞线组成, 外部屏蔽是一个编织多股镀银金属套包在绝缘的材料上。工作时电缆受到弯曲或振动时, 屏蔽套绝缘层和电缆芯线之间可能发生相对移动或者摩擦, 而产生静电荷。由于压电传感器是电容性的。这种静电荷不会很快消失, 而会被直接送到电荷放大器, 根据前面的公式U0=-Q/Cf, 可知U0会增大, 对显示仪表的测量极为不利。
3.4 解决方法
解决这一问题, 首先在选择传感器安装场所时尽量注意避开振动源, 其次加装管道支撑物是有效的减振方法, 第三传感器与转换器之间采用屏蔽电缆或低噪声电缆连接, 布线时应远离强功率电源线, 尽量用单独金属套管保护。应遵循“一点接地”原则, 接地电阻应小于10Ω, 同时将电缆固紧, 以免产生相对运动。
4 日常维护过程中应注意的问题
1) 由于K系数的确定在涡街流量计的整个环节中非常重耍, K系数的准确与否直接影响着回路的准确度, 仪表更换零部件以及工艺管道的磨损等情况, 均可能影响K系数, 故涡街流量计更换零部件以后需重新标定。
2) 首次启用的流量计对传感器的安装、电气连接进行检查, 检查无误后方可接通电源;并对流量计进行静态、动态调试。
3) 流量计投运一段时间后, 由于被测介质为附着性较强的液体或是粘度大、流速又较低的介质, 旋涡发生体极易被一层附着物包围, 使得发生体的迎流宽度增加, 从而仪表系数改变, 影响了正常测量, 应定期清洗涡街流量计的探头。检查中曾发现, 个别探头检测孔已被污物堵塞, 甚至被其他杂物裹住。
4) 定期检查接地和屏蔽情况, 消除外界干扰。有时候指示问题是由于受到干扰所致。
5) 安装环境潮湿的探头.应定期烘干一次, 或作防潮处理。由于探头本身并末作防潮处理, 受潮之后影响运行。
6) 当把一涡街流量计电路板换到另外一个涡街流量计上时, 一定要对电路板里的K1、K2、K3进行重新调整, 如图4所示。
5 结束语
涡街流量计 篇3
由于涡街流量计[1]具有测量精度高、量程宽、测量介质广泛、工作温度高(介质温度可达350℃)、耐腐蚀以及可靠性高等特点,广泛应用于石油、化工、轻工及动力供热等行业工业管道介质(如气体、液体及蒸汽等)流体流量的测量,多种介质。涡街流量计一般测蒸汽、水等介质的比较多,比如热电厂发电会产生蒸汽,而蒸汽可以供暖和生产重复使用,这样热电厂就可以对外售卖蒸汽。所以要安装流量计来测量输出给用户多少蒸汽,也就是得测蒸汽的流量,因此测量必须准确。
涡街流量计的检测结果有模拟信号,也有数字脉冲信号输出,而脉冲式涡街流量计的检测结果以脉冲方式输出,传统的计量方法采用滤波器滤波后由计数器来计量脉冲数量,从而计算流量。但这种方式只能计量脉冲数量,对脉冲出现的异常情况(如设备故障或者人为原因)等不能进行判别,更不能及时反馈。而脉冲出现异常将导致流量计量不准确,最终直接影响双方利益。因此,迫切需要一种全新的方法,不仅可以精确计量脉冲数量,而且当脉冲出现异常状况时也可以及时发现。
1 检测方法
脉冲式涡街流量计计数检测方法采用A/D 采样,配合软件处理的方法对脉冲进行计数和判别。利用高速A/D采集脉冲输入口的电压幅值和平均值,软件滤波后根据采集结果统计脉冲数量;将一段时间内采集的电压幅值和平均值与涡街流量计最初安装时的正常电压幅值和平均值进行对比,以判断脉冲输出电压是否正常;保存一年的计量数据,每次计量结果与一年前同期相比,看脉冲数量是否异常。通过电压值和用量的综合对比,来判断涡街流量计输出是否正常。
2 方案简介
2.1 硬件方案
为了完成脉冲计量及检测,必须有一定的硬件作为支撑。本方法的检测装置构成如图1虚线部分所示,由滤波电路、电源模块、存储单元、时钟、远程通信模块、人机交互界面和ARM组成。
滤波电路[2]采用无源滤波电路,主要滤除干扰信号,使输出电压纹波系数降低,提高检测准确性。
电源模块采用多组电源,供整个检测装置工作,特别注意的是给A/D采集供电的是1‰精度电源,以保证采集精度。
存储模块采用铁电存储器和Flash相结合的方式。由于要存储一年的流量数据,数据量很大。而且采样数据实时采集、实时保存,读写也相当频繁。Flash空间大,但读写次数有限;铁电读写速度快、次数多但容量小。因此采用Flash和铁电相结合的方式,实时数据先存放在铁电中,定时将铁电中的数据转移至Flash中。
时钟单元需自备电池,防止终端断电后时钟错误。
远程通信模块用来与数据中心进行信息交互,将检测结果以及异常信息等及时传送给数据中心。
人机交互界面则用于现场显示和设置。
CPU是32位ARM硬件平台,自带12bitA/D采集,采集时间5μs[3]。采集结束后CPU对采集的数据进行综合处理。
2.2 软件方案
软件主要流程如图2所示,系统初始化之后,主要进行数据采集、脉冲计数、脉冲检测的循环。
2.2.1 采集数据
5μs采集1个点,采集10个点后除去一个最大值和一个最小值[4],然后计算平均值。采集值≤(0.3×脉冲基准幅值),计1;采集值≥(0.7×脉冲基准幅值),计2;其他情况计0。采集一个有效数据所需时间为10×5μs=50μs,1s可采集20 000个有效数据。每分钟对上述检测为2的电压值取平均计算脉冲幅值,对所有电压值取平均计算脉冲平均值,安装调试完成后需保存脉冲幅值和平均值的基准值。
2.2.2 脉冲计数
由于数据处理时间为1s,与涡街流量计的输出脉冲周期可能不一致。每秒采集时有些脉冲可能被截断,为了避免少计脉冲,需要对脉冲进行处理。将上一秒最后一段连续为2的数字段及之后所有的数字与本次数据合并,一起进行处理。为避免多计脉冲,对本次最后一段连续为2及之后所有的数字不做处理,留待下一秒处理。
脉冲统计时,遍历数据记录[5],找出并记录每段连续为2的数字段中的2的数量和整条数据记录中为2的数字段的总段数;取出一段数据段,记为基准对比段,用其他数据段中数字2的数量与之对比,记录两段数字2数量的差值在3个之内的总段数,然后用每一段数据段为基准对比段,重复本次操作;找到差值在3个之内的个数最多的数据段,首先将此段与所有差值在3个之内的数据段都计一个有效脉冲,并对这些数据段中2的数量做平均,平均值作为基准数量并以此计算脉冲周期,然后对不满足差值为3的数据段进行处理。处理方法如下:
a. 如果数据段中2的数量少于基准数量但落在应为高电平的时间段内认为是一个有效脉冲,否则认为是干扰信号;
b. 如果数据段中2的数量多于基准数量,先判断这些数据段落在多少个周期内,有多少个周期计多少个有效脉冲。
得出有效脉冲后,对上述所有有效脉冲的周期进行判断,判断和相邻的数据段是否落在相同周期内。如果相同,则应减去相同周期的个数,最终得出有效脉冲总数,即为这一秒的脉冲数。
2.2.3 脉冲检测
脉冲检测包括电压值对比和流量的保存与对比两部分。
每分钟对上述检测为2的电压值取平均,与初始记录的每分钟幅值对比,如果当前幅值介于初始幅值的0.85～1.15倍之间,认为脉冲幅值正常,否则记一次异常,连续5次异常,则认为脉冲幅值异常;每分钟对上述所有的电压值取平均,然后与初始记录的每分钟均值作对比,如果当前均值介于初始均值的0.85～1.15倍之间,认为脉冲均值正常,否则记一次异常。连续5次异常,则认为脉冲均值异常。
设备保存一年的流量记录,每秒流量计量出来之后与一年前同期的流量对比,如果变化不多,则用当前流量值替换前一年的流量值。如果变化较大,计一次流量异常。连续3min流量异常,则认为流量异常。流量异常时暂不替换前一年流量,待人工确认。如果是正常使用则替换前一年流量,否则保持前一年流量不变。
3 结束语
该方法检测脉冲式涡街流量计的脉冲数量,通过软、硬件二次滤波可有效滤除干扰脉冲,保证检测准确。通过对检测结果的综合判断,可了解脉冲输入的情况,依此了解脉冲式涡街流量计的工作状态,确保脉冲式涡街流量计工作在最佳状态,保证系统检测的准确性。发现异常情况后,及时进行提示,可确保各方的合法利益不受侵害。
参考文献
[1]姜仲霞,姜川涛,刘桂芳,等.涡街流量计[M].北京:中国石化出版社,2006.
[2]远坂俊昭著,彭军译.测量电子电路设计:滤波器篇[M].北京:科学出版社,2006.
[3]周立功.深入浅出ARM7——LPC213X/214X[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.
[4]张玉珊,崔金玲.数据采集系统中的数字滤波方法研究[J].河南机电高等专科学校学报,2007,15(3):23～25.
涡街流量计 篇4
关键词：温差发电,电能管理,无线数据通信,低功耗,涡街流量计
温差发电是利用热电转换材料将热能转化为电能的全静态发电方式，具有无噪音、无污染、无磨损、寿命长、体积小等优点，但其输出电压波动大、输出功率小，适用于微小功率的设备使用。
温差发电有完善的物理理论基础和成熟的温差发电片制造技术的支持，从20世纪60年代开始，陆续有一批温差发电机成功用于航天飞机和军事领域[1]。近几年随着温差发电片生产成本的降低与转换效率的不断提高，温差发电技术在工业和民用方面表现出了良好的应用前景。
德国Micropelt公司用MEMS薄膜热电技术，在1 mm2的面积内布置了100多个热电偶。该公司的温差发电片MPG-D651，面积仅为8.4 mm2，每10℃的温差能产生1.4 V电压。该公司与施耐德公司合作生产的用于安装在电力母线上的温度传感器具有无需更换电池的特点。美国Hi-Z公司为车辆余热转换研制的一种热电模块，由71对碲化铋热电偶连接起来，模块在温差200℃时，输出电压为2.38 V，功率为19 W[2]。日本精工仪器公司研制出一种利用人的体温发电的手表用电池，是使用Bi-Te材料制成的温差发电部件，电池尺寸为2 mm×2 mm×1.3 mm，由50个热电偶串联组成，1℃的温差可产生20 mV的电压，输出功率为1μW[1]。
温差发电的基本原理是塞贝克效应。当温差发电片热端置于高温环境(TH)中、冷端置于低温环境(TL)(相对于热端)中时，就会产生电势差VOC。
其中，S表示温差发电片的塞贝克系数，它是由材料本身的电子能带结构决定的系数[3]。
如图1所示，温差发电片的基本单元是热电偶，它由P型、N型半导体通过金属导流片连接在一起，当给热端施加热源时，N型半导体中带负电的自由电子会向冷端扩散，P型半导体中带正电的空穴向冷端扩散，这样形成了由N向P的电流，在冷端形成电势差[4,5]。如图2所示，一个成型的温差发电片是由若干个这样的热电偶对串联而成。
1蒸汽涡街流量计的低功耗设计
低功耗仪表的设计技术其电路采用低功耗器件、低电压、较低的工作频率以及部件可睡眠的工作方式。图3是本文研制的低功耗蒸汽涡街流量计的组成框图，从功能看相当于把温度传感器、压力传感器、涡街流量变送器、流量积算仪集成在一起的可电池供电的自动化仪表。
压电晶体用于检测涡街频率、计算蒸汽的体积流量。由低功耗运放组成的前置放大电路可以做到约30μA电流，传感部分的低功耗是研制低功耗涡街流量计的前提条件。
微控制器(MCU)的选择是智能仪器设计的关键之一。本文采用TI公司的16 bit超低功耗微处理器MSP430-F5438A，它具有集成度高、性价比好等优点。
涡街流量计测量流体的流量为体积流量，而在蒸汽贸易结算时采用质量流量，因此需要根据蒸汽的温度和压力求取蒸汽的密度。温度传感器采用PT1000，压力传感器采用扩散硅压阻式传感器MB18，传感信号调理电路采用MAXIM公司的18 bit A/D转换器MAX1403。MAX1403包含恒流激励源、程控放大器、多个差分输入通道等资源，工作电流约为250μA，在低功耗模式下仅为2μA。为了降低整个系统的功耗，A/D采样的时间间隔是可以设定的，不采样时关断MAX1403。
无线数据通信简化了布线问题。CC1101是TI公司的低成本单片UHF收发器，具有功耗低、使用简单等特点;支持多种调制格式，载波频率可在300～348 MHz、400～464 MHz和800～928 MHz等范围内选择;数据传输率最高可达500 Kb/s。本文采用433 MHz载波，用SPI接口与CC1101连接。应用CC1101的Wake-On-Radio(WOR)功能，即在无需MCU干预下周期性地从睡眠模式醒来侦听数据包。一旦侦听到有效数据，向MCU产生中断，MCU可及时接收数据，数据处理完毕后进入CC1101的发送模式，数据发送完毕，再进入侦听模式，以降低功耗。通信协议的应用层采用MODBUS协议。
为保证低功耗和宽温的性能，流量计需要根据显示内容而定制LCD，因此采用集成串行接口的LCD驱动芯片HT1621;4个按键分别为功能键、移位键、数字键和退出键，用于参数设置;被设置的参数以及记录的数据存放在I2C接口、容量为128 KB的E2PROM芯片FM25V10中。
2 温差发电片的选择和安装
常用蒸汽的温度在400℃以下。本设计所选用的中国纳米克公司的温差发电片(TEG)，型号为TEP1-1263-3.4，尺寸为3 cm×3 cm×0.4 cm，基片采用耐高温热电Bi-Te合成材料，热面可以在高达380℃的高温环境下连续工作，冷面则可以在高达180℃的环境下工作;由126个热电偶组成，最大能产生5 W左右的功率，有充足的余量满足流量计的需要。
温差发电片安装示意图如图4所示。为避开太阳光的直射而升高冷面温度，取热位置选在涡街流量计的下方。由于TEG不能弯曲，而管道是圆柱形，为保证发电片充分受热和均匀受热，设计了一个导热性能好的铜质弧形导热体，该弧形导热体的弧面与管道通过纳米克公司的耐高温导热硅脂无缝连接，上平面则与温差发电片的热面贴在一起。为得到较大的温差，需要在TEG冷面采用导热性能好的散热片，且散热面积尽可能大。用保温材料包牢弧形导热体，以减少热量的散失。
3 电能管理
电能管理包括TEG的电能收集、锂电池充放电、TEG输出电压、锂电池状态检测和异常报警以及流量计各部件的工作状态控制等功能。如图5所示，电能管理电路由TEG、DC/DC、锂电池充电芯片、锂电池和稳压芯片组成。
流量计电路的电源由TEG或电池提供。当管道中有蒸汽流过时TEG便发电，经二极管D1可向电路供电，此时二极管D2处于截止状态，锂电池不向电路供电;当管道中没有蒸汽流动时，TEG没有电压输出，此时D2导通，D1截止，锂电池向电路供电。
3.1 TEG的电能采集
TEG的开路电压与温差的关系如图6所示，输出电压具有较宽的范围。为充分利用热能，本文选取TI公司的升/降压型DC/DC电源芯片TPIC74100-Q1采集TEG产生的电能。该芯片的输入电压范围从1.5 V～40 V，提供5 V恒定输出电压;升/降压模式能自动切换，当输入电压低于5.8 V时，进入升压模式;当输入电压超出5.8 V时，进入降压模式。TPIC74100-Q1静态工作电流为10μA，可通过时钟调制器及可调节压摆率，减小系统中的电磁干扰(EMI)。
3.2 锂电池充电电路
当蒸汽管道中没有蒸汽流过以及蒸汽刚开始流过时，在TEG上不能形成较大的温差，不能产生电能。为避免流量计因工作不稳定而产生计量误差，需要用后备电池。所选用的锂电池是UltraFire 16340(3.7 V,880 mAH)，其有效充放电次数为1 000次左右。
锂电池的充电过程是一个复杂的电化学过程，过度充电和深度放电，都会使电池容量衰减较快，电池寿命缩短。因此需要监测电池的电压，在电池电压达到额定值时停止充电。在进行大电流充电时需要用热敏电阻监测电池的温度，以调节充电电流，防止因电池内部过热而爆炸。为保证锂电池的充电效率、使用寿命及安全性，常采取先恒流后恒压的两段式充电方式[6]对锂电池进行充电。本设计选用MAX8606来管理锂电池的充电过程。
3.3 电压监测和异常判断
为保证系统的可靠运行，图5中，AD0、AD1与MCU的12 bit A/D输入端连接，分别监测TEG和锂电池的输出电压。当AD0偏低且有流量信号时，表明TEG部分故障;当通过AD1转换值估算的锂电池输出电压小于3.2V时，表明锂电池输出电压不足，锂电池有可能得不到及时地充电或内部损坏。在这些异常情况下，MCU产生并发送报警信息，以便工作人员及时处理。
4 实验
实验时，涡街流量计在3.6 V锂电池供电的情况下进行功耗测试，其结果如表1所示。由表可知，整机的最大工作电流接近30 mA，即需要电源能输出的功率为0.108 W，其中无线通信电路连续运行时大约占用了92.7%的整机功耗。
热端温度从室温开始上升至135℃，此时冷端温度约为30℃，流量计开始正常工作;当锂电池输出电压为3.6 V(电量充满)时，测试TEG输出端的电压为2.37 V，整个系统电流消耗最大为30.72 mA;没有无线通信和采样时，电流消耗为0.95 mA。
妆锂电池输出电压为3.2 V(欠压状态)、热端温度上升到200℃时，此时的冷端温度约为45℃、TEG输出电压为4.13 V，整个系统电流消耗最大为129.32 mA;当锂电池输出电压为3.6 V时(电量充满)，电流消耗最大为32.52 mA。
当在有蒸汽流过管道、温差发电片两端的温差至少在105℃时，能给系统提供持续、稳定的电源;当温差至少在155℃时能给欠压的锂电池充电。
温差发电和无线通信技术的应用，摒弃了传统自动化仪表布线繁锁的缺点，实现了无电源线和数据线的新型蒸汽涡轮流量计，该流量计具有较好的实用价值。
参考文献
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涡街流量计 篇5
1 涡街流量计的测量原理
在流体中设置旋涡发生体(阻流体),从旋涡发生体两侧交替地产生有规则的旋涡,这种旋涡称为卡曼涡街,如图1所示。
旋涡列在旋涡发生体下游非对称地排列。设旋涡的发生频率为f,被测介质来流的平均速度为U,旋涡发生体迎面宽度为d,表体通径为D,根据卡曼涡街原理,有如下关系式:
f=SrU1/d=SrU/md (1)
式中:U1——旋涡发生体两侧平均流速,m/s
Sr——斯特劳哈尔数;
m——旋涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比
管道内体积流量qv为:
qv=πD2U/4=πD2mdf/4Sr (2)
K=f/qv=[πD2md/4Sr]-1 (3)
式中:K——流量计的仪表系数,脉冲数/m3(P/m3)
K除与旋涡发生体、管道的几何尺寸有关外,还与斯特劳哈尔数有关。斯特劳哈尔数为无量纲参数,它与旋涡发生体形状及雷诺数有关。
图2所示为圆柱状旋涡发生体的斯特劳哈尔数与管道雷诺数的关系图。由图2可见,在ReD=2×104～7×106范围内,Sr可视为常数,这是仪表正常工作范围。当测量气体流量时,涡街流量计的流量计算式为:
式中:qVn,qV——标准状态下(0 ℃或20 ℃,101.325 kPa)和工况下的体积流量,m3/h
Pn,P——标准状态下和工况下的绝对压力,Pa
Tn,T——标准状态下和工况下的热力学温度,K
Zn,Z——标准状态下和工况下气体压缩系数
由式(4)可见,涡街流量计输出的脉冲频率信号不受流体物性和组分变化的影响,即仪表系数在一定雷诺数范围内仅与旋涡发生体及管道的形状尺寸等有关。但是作为流量计在物料平衡及能源计量中需检测质量流量,这时流量计的输出信号应同时监测体积流量和流体密度,流体物性和组分对流量计量还是有直接影响的[1]。
2 涡街流量计的主要优点
(1)涡街流量计结构简单,安装维护方便(与节流式差压流量计相比较,不需要导压管和三阀组等,在设计过程中无需考虑伴热、密闭排放以及引压所需要考虑的一系列问题);
(2)输出为脉冲频率,其频率与被测量流体的实际体积流量成正比,它不受流体组分、密度、压力、温度的影响;
(3)量程比宽,可达10:1或20:1(适用于工艺介质流量变化范围较大);
(4)压损小(约为孔板流量计1/4～1/2),无可动部件,可靠性高;
(5)精确度为中上水平,可适用液体、气体和蒸汽。
3 涡街流量计的选型
根据SH 3005-1999《石油化工自动化仪表选型设计规范》中规定涡街流量计的选用,应符合下列规定[2]:
(1)洁净气体、蒸汽和液体的流量测量。
(2)低流速及粘度大于20 mPa·s液体的测量,不宜采用涡街流量计。
在工程设计中宜考虑下列情况:
(1)一般液体平均流速下限为0.5 m/s,气体为4～5 m/s。涡街流量计的正常流量最好在正常测量范围的1/2～2/3处。
(2)液体适合于雷诺数20000以上,气体和蒸汽适合于15000以上。
(3)口径不宜过大,大口径仪表系数较低,频率分辨率低,口径愈大愈低。
(4)介质温度不宜过高,影响电子元件的使用寿命。
(5)脉动流和旋转流、两相流的情况不适合使用涡街流量计。
(6)仪表缩径不宜过大,缩径将流速提高,同时也增加了阻力和背压,容易出现空穴现象。
4 涡街流量计的安装
4.1 涡街流量计的安装要求Ⅰ
根据SH/T 3104-2000《石油化工仪表安装设计规范》中规定涡街流量计的安装要求如下[3]:
(1)测量液体时涡街流量计应安装于被测介质完全充满的管道上。
(2)涡街流量计在水平敷设的管道上安装时,应充分考虑介质温度对变送器的影响。
(3)涡街流量计在垂直管道上安装时,应符合以下规定:
①测量气体时,流体可取任意流向
②测量液体时,液体应自下而向上流动。
(4)涡街流量计下游应具有不小于5D(流量计直径)的直管段长度,涡街流量计上游直管段长度应符合以下规定:
①当工艺管道直径大于仪表直径(D)需缩径时,不小于15D;
②当工艺管道直径小于仪表直径(D)需扩径时,不小于18D;
③流量计前具有一个90°弯头或三通时,不小于20D;
④流量计前具有在同一平面内的连续两个90°弯头时,不小于40D;
⑤流量计前具有不同平面内的连接两个90°弯头时,不小于40D;
⑥流量计装于调节阀下游时,不小于50D;
⑦流量计前装有不小于2D长度的整流器,整流器前应有2D,整流器后应有不小于8D的直管段长度。
(5)被测液体中可能出现气体时,应安装除气器。
(6)涡街流量计应安装于不会引起液体产生气化的位置。
(7)涡街流量计前后直管段内径与流量计内径的偏差应不大于3%。
(8)对有可能损坏检测元件(旋涡发生体)的场所,管道安装的涡街流量计应加前后截止阀和旁路阀,插入式涡街流量计应安装切断球阀。
(9)涡街流量计不宜安装在有震动的场所。
4.2 涡街流量计的安装要求Ⅱ
根据GB 50093-2002《自动化仪表工程施工及验收规范》中规定涡街流量计的安装要求如下[4]:
涡街流量计信号线应使用屏蔽线,上下游直管段的长度应符合设计文件要求,放大器与流量计分开安装时,两者之间的距离不应超过20 m。
在工程设计中宜考虑下列情况:
(1)垂直安装时,向上流动的流体能够确保仪表总是满管,且介质中的固态成分能够均匀分布。
(2)水平安装时,液体避免U型安装方式,气体避免倒U型安装方式。不同厂家的产品分体安装有不同的参考温度,还有的厂家带散热片。
(3)在设计过程中应根据上游情况具体要求每台涡街流量计的直管段。
(4)涡街流量计对安装点上下游配管的直径偏差和同轴度等有相应要求,配管内径d与仪表的通径D相同,满足0.95d≤D≤1.1d。配管与流量计同心,同轴度应小于0.05D。流量计与法兰之间的密封垫不能凸入管道内,其内径可比流量计内径略大。
(5)当需要将实测压力和温度信号用于补偿质量流量或标准流量时,在涡街流量计下游安装压力(下游4D)和温度变送器(下游6D)。
(6)当管道振动时,应加装支撑物对管道进行固定。
(7)避免电磁干扰,应考虑仪表等电位接地。
5 涡街流量计的使用和维护
在使用涡街流量计过程中可能出现以下问题:①指示长期不准;②始终无指示;③小流量时无指示;④大流量时指示还可以,小流量时指示不准;⑤仪表K系数无法确定。
总结引起这些问题的主要原因,主要涉及到以下方面:
(1)选型方面的问题。有些涡街传感器在口径选型上或者在设计选型之后由于工艺条件变动,使得选择大了—个规格,实际选型应选择尽可能小的口径,以提高测量精度,这方面的原因主要同问题①、②、③、④有关。例如,一条涡街管线设计上供几个设备使用,由于工艺部分设备有时候不使用,造成目前实际使用流量减小,实际使用造成原设计选型口径过大,相当于提高了可测的流量下限,工艺管道小流量时指示无法保证,流量大时还可以使用。宜使用缩径型涡街流量计。
(2)安装方面的问题。主要是传感器前面的直管段长度不够,影响测量精度,这方面的原因主要同问题①有关。例如:当传感器前面直管段明显不足,用于控制时精度下降,用于计量时误差较大。应使用整流器。
(3)工艺参数的问题。由于参数错误,导致仪表指示有误.这方面的原因主要同问题①有关。应与工艺系统专业协商,对选型参数进行核实。由于理论工况与实际工况不可能完全一致,故小范围的误差是有可能的。
(4)线路连接的问题。部分回路表面上看线路连接很好,仔细检查,有的接头实际已松动造成回路中断,有的接头虽连接很紧但紧固螺钉却紧固在线皮上,也使得回路中断,这部分原因主要同问题②有关。宜选择业绩好的产品。
(5)使用环境的问题。尤其是安装在地井中的传感器部分,由于环境湿度大,造成线路板受潮,这部分原因主要同问题②有关。应使用分体式安装方式。
(6) K系数标定的问题。K系数只能依据厂家提供的资料,由于厂家本身的一些变动,造成提供的几处资料上K系数不—致,影响了问题解决。建议供货商提供最终的标定校核书,并根据标定校核书对相应的仪表量程范围做最后修订(最好写到标书中,要求标定校核书随供货清单一起发到施工现场)。
6 结 语
通过多个工程项目的实践证明,只要对涡街流量计的性能、特点有了全面深入的了解,有了应付各种情况的方法,涡街流量计一定会成为流量测量中的得力助手;在全厂的公用工程设计中,选用涡街流量计或其它管道式流量计,具有相当的合理性,可以有效的减少设计的工程量和提高整体的设计水平。
摘要：涡街流量计是现代石油化工行业中测量流量的重要工具之一;简述了涡街流量计的测量原理和主要优点,提供了涡街流量计的选型、安装、使用和维护的建议;通过规范设计、合理选型、正确的安装和维护,让涡街流量计在石油化工行业中发挥更大的作用。
关键词：流量测量,流量仪表,涡街流量计
参考文献
[1]蔡武昌,孙淮清,纪纲.流量测量方法和仪表的选用[M].北京:化学工业出版社,2002:145.
[2]SH3005-1999《石油化工自动化仪表选型设计规范》.
[3]SH/T3104-2000《石油化工仪表安装设计规范》.
涡街流量计 篇6
关键词：数字涡街,噪声,MSP430
1 引言
涡街流量计因其介质适应性强, 无可动部件, 结构简单, 使用寿命长等诸多优点, 在许多行业得到了广泛的应用[1]。然而, 涡街流量计也存在着明显的弱点。在低流速条件下, 涡街信号的信噪比很低, 有用信号几乎被噪声淹没;给低流速条件下的测量造成了很大的困难;且容易受到振动噪声的干扰。传统的涡街流量计的信号处理方法采用的是模拟电路, 解决不了低流速条件下的信号处理问题, 量程比只能达到1∶10, 限制了涡街流量计的使用。目前, 关于涡街的抗震性及抗噪声方面的研究取得了一些进步[2,3], 本文正是利用MSP430强大的处理功能, 实现对涡街流量计的信号分析和处理, 从而提高对噪声的抗干扰能力, 提高量程比*。
2 数字涡街流量计的工作原理
2.1 涡街的产生与涡街现象
涡街流量计是利用流体振动原理来进行流量测量。即在特定的流动条件下, 流体一部分动能产生流体振动, 且振动频率与流体的流速 (或流量) 有一定关系。其测量原理为:把一个非流体线性阻流体 (也称为旋涡发生体) 竖直插入管道中, 随着流体绕过阻流体流动, 产生附层分离现象, 形成有规则的旋涡列, 左右两侧的旋涡的旋转方向相反, 这种旋涡称卡门涡街[4], 如图1所示。
2.2 涡街流量信号的组成
从处理电路出来的信号, 形式一般都是弱电压或弱电流。这个信号是杂乱无规则的, 这是因为信号中既包括了从涡街传感器所测得的有用信号, 又包括了各种无用的噪声干扰信号, 这些干扰信号主要包括电磁场干扰信号、管道振动的干扰信号。
虽然理想的涡街信号经电荷放大器和低通滤波器后应该是一个规则的正弦波信号, 但由于不可避免地叠加了各种噪声信号, 所以得到的信号看起来是杂乱无章的。图2则表示了一个典型的受干扰的涡街信号。因此有用信号的提取显得尤为重要[5]。
2.3 涡街信号的测量
根据卡门涡街原理, 单侧漩涡频率f和漩涡发生体两侧流速u1有如下关系:
式中:d———漩涡发生体的迎流面的最大宽度;Sr———斯特劳哈尔数, 无量纲。
在以d为特征尺寸的雷诺数Re的一定范围内, Sr为常数。
当柱体的形状、尺寸确定之后, 就可根据式 (1) 通过测定f来测定漩涡发生体两侧的流体流速u1。
根据流体流动的连续性原理可得:
式中:A1———漩涡发生体两侧流通面积, m 2;A———管道流通面积, m 2;u———管道截面上流体平均流速, m/s。
定义截面比, 则可得, 则瞬时体积流量为:
式中:D———管道内径, m。
对于圆柱体旋涡发生体, 可以计算出:
则涡街流量计的仪表系数为:
式中:qv———通过流量计的体积流量, L/s;f———流量计输出的信号频率, Hz;K———涡街流量计的仪表系数, 1/L。
以上的推理是在斯特劳哈尔数Sr为常数的基础上的。仪表系数K仅与漩涡发生体的几何参数有关系, 而与流体的物性和组分无关[4]。
涡街流量计可以测量液体流量, 也可以测量气体流量。流量特性曲线不受液体压力、温度、黏度、密度和成分的影响, 而且水的特性与空气的特性基本一致, 这也为涡街流量计在不同介质上的标定和使用带来了方便。
3 基于MSP 430数字涡街流量计的硬件结构分析
3.1 MSP 430数字涡街流量计的整体结构
图3所示为一数字涡街流量计的整体结构图, 采用了以MSP430单片机为数据处理核心的单CPU硬件结构。仪表的整体结构可以分为对压电传感器输出的涡街信号进行处理的前置放大器电路、单片机采集、信号处理和输出电路。
检测涡街频率信号采用应力式检测方式。把膜片和压电晶体元件作为检测元件置于旋涡发生体后, 当旋涡在旋涡发生体附近产生后, 就会作用在检测元件上面产生一个交替的升力, 该升力的频率与旋涡发生体发出的旋涡频率相同, 这个升力加上管道噪声和流体振动噪声同时作用在检测元件上, 使其产生应力变化, 应力差作用于膜片上, 使检测元件内的压电晶体元件的诱导电荷发生变化, 将电荷变化量引出, 它是微弱的含有各种噪声的电荷信号 (幅值在几毫伏左右) , 此即压电传感头的输出信号, 亦是涡街前置放大器电路的输入信号。压力传感器的输出信号要经过模拟信号处理才能输入单片机进行数字信号处理。
模拟信号处理通过以运算放大器为主体的模拟电路实现: (1) 通过输入级的电荷放大器将流量计压电检测元件输出的交变电荷信号转换为电压信号; (2) 通过程控放大器实现对电荷放大器输出信号的程控放大; (3) 通过模拟低通滤波器实现了信号ADC (模数转换) 之前的滤波。
3.2 数字涡街信号的前置放大电路分析
前置放大电路的任务是将检测元件提供的微弱电信号处理成有效代表涡街频率的脉冲信号[6]。前置放大电路主要由电荷放大器、低通滤波器、限幅器和施密特触发整形器四部分构成, 而具体的硬件电路则是由以运算放大器为主体的模拟电路来实现[2]。本文研究的数字涡街流量计选用压电式涡街传感头, 此压电传感头的输出信号, 亦是涡街前置放大器电路的输入信号。
由于压电传感器输出的电信号是很微弱的电荷信号, 且传感器本身有很大内阻, 故输出能量甚微, 必须放大传感器输出的微弱信号, 并将压电式传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。而电荷放大器实际上是一个以电容为反馈元件的具有深度负反馈的高增益运算放大器, 不同于一般电压放大器的是, 其输入信号是电荷, 输出信号为电压。图4为电荷放大器的电路图。
影响前置放大器电路正常工作的主要来自周围的电磁场干扰, 可分为高频电磁辐射干扰和低频电磁干扰。高频电磁辐射干扰大多来自空间电磁场的作用, 因频率较高且与涡街的频带 (一般为几赫兹和几千赫兹) 相差较远, 可以通过金属防护罩屏蔽和低通滤波的方法加以解除。至于低频电磁干扰 (50Hz) , 由于其频率处于涡街信号的频带之内, 金属外壳无法防御, 故消除低频电磁干扰是前置放大电路的关键。
为了衰减信号中的高频成分, 在电路中加入了低通滤波器。为了保证流量信号在低频、高频都有高的信噪比, 都有很强的抗干扰能力, 因此, 要把低通滤波器的截止频率定在低频段, 来滤除普遍存在的50Hz的工频干扰、流场的低频摆动噪声等低频干扰噪声, 保证在小流量情况下, 仍有较高的信噪比, 进行正确的测量。但是, 截止频率也不能定的很小, 否则会对高频信号衰减得过大, 导致高频段的信噪比降低, 影响测量。因此, 必须选择一个适当的截止频率;当然, 不同口径和不同介质 (气、液) 涡街的截止频率也会不同。
施密特触发器是脉冲波形变换中经常使用的一种电路, 它其实是具有双门限值的反相输入迟滞比较器, 由于对输入输出信号具有迟滞作用, 所以能够有效地防止由噪声产生的振荡。施密特触发器在性能上有两个重要的特点:第一, 输入信号从低电平上升时的转换电平和从高电平下降时的转换电平不同;第二, 在电路状态转换时, 通过电路内部的正反馈过程使输出电压波形的边缘变得很陡。利用这两个特点, 不仅可以将边缘变化缓慢的信号波形整形为边缘陡峭的矩形波, 而且可以将叠加于矩形脉冲高信号、低电平上的噪声有效地清除。
3.3 MSP 430单片机及其外围电路分析
数字涡街流量计信号处理系统主要利用了MSP430内部的12位A/D对前置放大电路中低通滤波后的涡街流量信号进行采样;利用MSP430内部的ROM作为存储DSP程序的外部FlashROM;利用MSP430丰富的I/O和中断端口进行数据传输、液晶驱动、键盘管理、累计存储和脉冲输出等。图5所示为MSP430单片机外围电路硬件结构框图。
涡街信号采集电路主要实现对正弦信号和方波信号的采集, 对正弦信号的采集主要利用内部的A/D转换模块进行, 而利用具有中断功能的I/O端口进行方波信号的采集;HPI接口电路主要是用于与处理器进行通信, 单片机上则利用其接口进行信息的通信;液晶显示电路外接显示屏完成显示的功能, 用于显示测量的瞬时流量和累计流量等;脉冲输出电路主要用来实现脉冲输出, 有别于液晶显示输出;JTAG接口则为了调试程序等用来调试单片机的程序。
4 数字涡街流量计水流量实验及实验数据分析
图6为水流量实验装置原理图。实验采用精度较高的称重法进行标定, 通过分析数字涡街流量计的仪表性能, 并结合硬件设计和信号处理算法, 分析数字涡街流量计在信号处理上具有的优势。实验采用50mm口径的标准表管路, 300kg测量上限的电子秤。经过实验, 绘制出重复性与测量点的曲线及仪表系数与测量点的曲线, 如图7、图8所示, 从而更好地分析数字涡街流量计的性能。
由于低速下的涡街信号十分复杂, 干扰信号甚至能淹没了有用信号, 采用普通硬件滤波的方法很难提取有用信号, 但数字涡街流量计采用了频谱分析的方法, 将实际的涡街信号做FFT变换, 找到频谱峰最高的峰值点, 将该点的频率作为涡街频率的测量值, 则可有效得出涡街有用的频率。因此与传统的模拟涡街流量计相比, 能更好地滤除噪声信号, 大大扩展了流量下限。
通过实验数据及图线也可以发现, 基于MSP430技术, 采用了FFT算法的数字涡街流量计, 在小流量时仍然具有很好的重复性以及比较稳定的仪表系数, 表明了数字处理方法对扩展涡街流量计的测量下限具有很好的效果。
5 结束语
由于MSP430是一种功能强大的微处理器, 具有高速运算能力及功能丰富的各种模块, 因此给信号处理的各种复杂的算法提供了硬件条件。随着MSP等处理器的发展与推广, 数字处理能力的不断提高及各种算法的发展, 数字型涡街流量计正获得飞速发展。
参考文献
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涡街流量计 篇7
研制的新型两线制涡街流量变送器 (以下简称变送器) 产品是根据卡曼涡街原理, 采用磁敏式、压电式检测传感器检测漩涡发生体产生的频率信号, 作为信号处理器的输入, 经过信号的检测、滤波、放大、限幅、频电转换等处理, 输出标准4~20m A信号。产品具有系列化、标准化、通用化, 流量测量压损小、量程比宽、结构简单、应用范围广、工作稳定可靠、便于安装调试等特点, 能够适用于石油、化工、冶金、电力、医药、食品等行业的工业管道中气体、蒸汽、液体多种介质的流量精确测量, 适用范围广。
1 变送器的测量原理
变送器的检测传感器是根据卡曼涡街原理设计的, 变送器仪表表体直径与仪表的公称口径基本相同, 一般通过卡装或法兰连接。表体内安装了一个近似为等腰三角形的柱体 (以下简称三角柱) 。三角柱垂直安装在表体中, 底面迎向流体。当管道中被测介质流过三角柱时, 在三角柱两侧交替产生旋涡, 旋涡不断产生和分离, 在三角柱下游便形成了交错排列的两列旋涡即“涡街”, 安装在流体管道中的三角柱即漩涡发生体, 产生的这种旋涡称为卡曼涡街, 如图1所示。
设三角柱迎流面宽度为d, 表体内径为D, 被测介质在管道中的平均流速为V, 旋涡的发生频率为f, 根据卡曼涡街原理, 卡曼涡街的频率有如下关系:
式中:f—分离频率;Sr—斯特劳哈尔数 (Strouhal number) ;V—管道中的平均流速;d—三角柱的迎流面宽度。
公式 (1) 中的斯特劳哈尔数为无量纲参数, 它与旋涡发生体形状及雷诺数 (Re) 有关, 如图2所示。
在Re=2×104~7×106范围内, Sr可视为常数, 雷诺数在这段范围内是涡街流量变送器线性测量范围。由公式 (1) 可见, 旋涡的分离频率与流体流速成正比, 通过检测旋涡的分离频率, 可以测出流体速度, 进而测量出流体的瞬时体积流量。
旋涡交错分离, 在三角柱两侧及后面的尾流中产生脉动的压力, 设在三角柱内部 (或后面) 的检测传感器受到这种微小的脉动压力的作用, 使安装在传感器内的压电陶瓷元件受到交变应力而产生交变电荷信号。该信号经放大器上的电荷放大、滤波限幅和触发整形处理后, 输出频率与旋涡分离频率相同的方波电压脉冲信号。传感器输出的每一个脉冲将代表一定体积的被测流体。一段时间内的输出总脉冲数, 将代表这段时间内流过传感器的流体总体积。通过检测传感器的输出脉冲频率f即可计算出管道内流体的速度, 再由流速求出体积流量。单位时间内的输出脉冲数n与相应的体积流量Qv之比称之为涡街变送器的仪表系数K, 即
式中:K—仪表系数 (单位体积的脉冲数) ;n—脉冲数;Qv—流体体积 (m3) 。
变送器传感器输出的脉冲频率信号不受流体物性和组分变化的影响, 即仪表系数K在一定雷诺数范围内仅与旋涡发生体及管道的形状尺寸等有关。
2 变送器的设计
变送器设计包括两个部分:表体部分和信号处理器。表体部分根据测量管径可以设计为圆环式或插入式。表体与测量管道的连接方式分为法兰卡装式、法兰连接式和插入式。频率检测传感器根据测量介质和测量环境不同可以选择磁敏式、压电式。
磁敏式传感器应用电磁感应原理测量, 是传感器产品的一个重要组成部分, 磁敏传感器应用的最大优点是可以实现无接触测量;检测频率过高时, 磁敏式传感器运动部件容易损坏, 因此磁敏式传感器适用于检测管道内流速较低, 产生的漩涡频率较低的场合。
压电式传感器利用正压电效应进行检测。某些电介质 (如石英晶体、压电陶瓷) , 当沿着一定方向对其施力而使它变形时, 内部就产生极化现象, 同时在它的一定表面上产生电荷, 当外力去掉后, 又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时, 电荷极性也随着改变。输出电压的频率与动态力的频率相同;当动态力变为静态力时, 电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。压电式传感器是一种典型的自发电式传感器。两线制涡街流量变送器采用的压电传感器主要检测元件是压电陶瓷。
压电式传感器具有体积小、质量轻、信噪比大等特点。由于它没有运动部件, 因此结构坚固、可靠性、稳定性高, 适用于流速高、频率较高的测量场合。
为保证流体经过三角柱时的流速比较平稳, 能后产生稳定的漩涡频率, 变送器表体安装应与液体流动方向垂直, 三角柱的上游和下游应保证一定长度的直管段, 其长度应符合前直管段15~20D, 后直管段5~10D的要求。安装液体传感器的附近管道内应充满被测液体, 如果达不到满管要求, 应进行变径处理。根据传感器的测量原理, 传感器应避免安装在有强烈机械振动的管道上。传感器应避免安装在有较强电磁场干扰、空间小和维修不方便的场合。信号处理器对涡街流量传感器产生的频率信号经过滤波、放大、频电转换等几个环节处理, 最终将频率信号转换为标准4~20m A信号输出。信号处理器框图如图3所示。
3 变送器设计的改进完善
变送器研发成功投入市场以来, 现场运行过程中, 发现变送器的信号处理器在设计方面存在一些不完善之处, 在现场电磁干扰较强场合会影响仪表的测量精度, 因此需要对信号处理器电路及结构进行改进。
3.1 电源浮地问题的改进
由于变送器的供电电源要求浮地, 因此爆炸环境条件下使用的变送器配有隔离式安全栅。在非爆炸性环境条件下, 由于现场标准24V供电电源负端直接接地, 用户没有按照要求对电源进行浮地处理, 造成变送器不能正常工作, 甚至损坏电路板中元器件。因为现场设备大部分为防止电磁干扰, 需要电源直接接地, 本变送器电源单独需要浮地, 用户需单独为本变送器提供电源, 给用户增加成本, 因此需对变送器的信号处理器进行改造, 解决电源需要浮地的问题。
通过实验改变频电转换板中集成块的工作电压, 使集成块的电源地与变送器的24V DC直流电源直接相连;给信号放大器的输入信号端增加电位平移电路, 同时改进电压电流转换电路。经过上述改进电路试验, 变送器电源可以直接接地, 解决了变送器供电电源需要浮地的问题, 方便了用户的使用。在爆炸性环境条件下使用时, 安全栅可以选用普通型, 不用再选择隔离式安全栅了。
3.2 流量波动较大问题的改进办法
由于变送器采用两线制电路, 输出标准4~20m A信号, 信号处理器的自身功耗不能过大。因此对涡街流量传感器信号的放大、滤波等处理电路不能太复杂, 需要靠调整部分元器件的参数值来满足不同介质和不同测量范围。出厂标定时, 因为标定现场电磁干扰、振动干扰等影响因素较弱, 标定好的参数在用户现场因为环境不同、干扰信号强弱不同, 现场测量出现不稳定情况, 特别是在流量较低时, 流量波动较大, 必须派维修人员到现场进行参数调整, 因此在电路板设计时将几组参数的元器件同时焊接在电路板上, 调试维修时通过拨动开关加以组合选择, 用户就可以现场调试, 方便用户的使用, 提高了测量的精度。
3.3 变送器结构的改进
3.3.1 接线端子的改进
变送器为方便用户现场观察流量变化, 设计带有现场指示的4~20m A流量表头。接线时需要将指示表头拆下来, 接线后需要重新安装表头, 给现场施工人员带来不便。针对这个问题, 改进了变送器的信号处理器壳体结构, 将接线端子调整到线路板一侧, 表头一侧不再进行接线, 方便了仪表的安装。
3.3.2 指示表头线路的改进
现场指示表头串联在4~20m A电流输出电路中, 一旦表头出现损坏断路, 造成变送器无法正常工作。现场指示表头的指针灵敏度高, 在运输和使用过程中极易出现指针卡住、指示不准或损坏现象, 除了选择质量可靠的指示表头厂家外, 同时在电路中加以改进。在表头后正向并一个开关二极管, 表头出现损坏后, 变送器仍然能正常工作。
在表头后正向并联开关二极管即能解决表头损坏后变送器仍能正常供电工作问题, 也不会对测量结果造成影响。因为电流表表头的内阻约为6Ω左右, 正常工作时通过表头的电流在4~20m A之间, 根据欧姆定律, 正常工作时表头两端的电压在0.024~0.12V之间, 远低于二极管的导通电压0.7V, 同时也远低于二极管的死区电压0.5V, 因此正常工作时, 正向并联的二极管正向等效电阻很大, 正向电流几乎为零, 不会影响测量结果。出现指示表头损坏断路时, 正向并联的开关二极管导通, 变送器仍能正常工作, 输出4~20m A电流信号。
4 变送器的特点
涡街流量传感器检测具有不受流体组分、密度、温度、压力的影响, 无可动部件、产品无磨损、耐脏污, 无需机械维修, 可靠性高、使用寿命长;测量范围宽, 一般量程度可达10:1以上;整体结构设计合理, 压力损失约为孔板流量计的1/4~1/2, 压力损失较小;在一定雷诺数范围内, 输出频率信号不受流体的密度、粘度和组分的影响, 即仪表系数仅与旋涡发生体及管道的形状尺寸有关, 只需在一种典型介质中校验而适用于各种介质;与节流式差压流量计相比较, 无需导压管和三阀组等, 不易出现泄漏、堵塞和冻结等现象, 不易结垢, 耐高温、高压;结构简单牢固, 安装方便, 维护费较低;应用范围广泛, 可适用液体、气体和蒸气等不同介质的测量。
变送器有多种信号和规格, 有磁敏式、压电式检测方式, 能够适用于流量计量的大部分场合要求, 广泛应用于石油、化工、冶金、城市集中供暖以及纺织和食品等行业。本变送器采用本质安全型结构, 与安全栅一起组成本质安全系统。
由于变送器不适用于低雷诺数流量测量, 在管道内介质粘度高、流速低、管径小等情况下测量精度无法保证, 应用受到限制;并且变送器对测量管道的机械振动较敏感, 不宜安装于有强振动的场所。选择传感器安装场所时尽量避开振动源, 采取加装管道支撑物等措施, 减小测量管道的振动幅度, 降低振动对测量信号的干扰, 提高测量的精确度。
5 结论
研制的两线制涡街流量变送器, 根据测量介质及工况环境选择适宜的测量传感器, 以达到较高的工作可靠性和测量精确度。通过实际应用及线路及结构的不断改进, 两线制涡街流量变送器性能得到了完善和提高, 使用方便、可靠, 得到了广泛的应用, 已累计生产四百多台, 为企业创造产值三百多万元, 取得了良好的经济效益。
摘要：介绍了两线制涡街流量变送器的测量原理、设计实现与改进完善方法。变送器由漩涡发生体、检测传感器和信号处理器组成, 集成了频率信号产生、信号滤波和处理, 产品经过不断地改进完善, 通过出厂试验及实际应用证明变送器各项性能指标达到了设计要求, 已得到广泛应用, 取得了良好的经济效益。
关键词：两线制,传感器,卡曼涡街,变送器,电源浮地
参考文献
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