壓縮空氣流量計是一種在流量測量領域較常見的儀表，相比較于其他流量計，它有著無可比擬的優點，其產品優點主要表現為以下幾個方面：1）壓縮空氣流量計無可動部件，測量元件結構簡單，性能可靠，使用壽命長。2）壓縮空氣流量計測量范圍寬。量程比一般能達到1：10。3）壓縮空氣流量計的體積流量不受被測流體的溫度、壓力、密度或粘度等熱工參數的影響。一般不需單獨標定。它可以測量液體、氣體或蒸汽的流量。4）它造成的壓力損失小。5）準確度較高，重復性為0.5％，且維護量小。但壓縮空氣流量計在工業應用中并不十分普遍,顯然,并不是由于它的技術水平還沒有達到令人滿意的程度,而是由于用戶在選擇和應用壓縮空氣流量計時缺乏應有的應用經驗,在設計、選型、安裝時考慮問題過于簡單化了,正是基于以上理由,本文著重討論壓縮空氣流量計工業應用中應注意的問題及對策，為正確使用壓縮空氣流量計提供了科學依據。
1、壓縮空氣流量計抗管道振動和流體振動問題
振動問題是衡量一臺壓縮空氣流量計工業應用好壞的一個重要指標。目前,很多工業用戶之所以對壓縮空氣流量計的應用失去信心,在很大程度上是由于振動因素影響。工業中的振動是普遍存在的,目前較先進的壓縮空氣流量計都有一定的抗振動能力,對于一般的工業振動大部分都能消除。一般的工業振動頻率大都在幾赫到幾千赫,壓縮空氣流量計的漩渦頻率正好落在這個范圍之內,
本文以電容式、壓電式、超聲波式壓縮空氣流量計為例來說明其抗振性問題。
1.1電容式壓縮空氣流量計抗振動問題
電容式壓縮空氣流量計以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。電容式壓縮空氣流量計在頻率范圍為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壓電應力式壓縮空氣流量計抗振動問題
壓電應力式壓縮空氣流量計以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壓縮空氣流量計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智能壓縮空氣流量計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,壓電式壓縮空氣流量計具有二維方向(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超聲波壓縮空氣流量計——真正的抗三維振動壓縮空氣流量計
超聲波壓縮空氣流量計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壓縮空氣流量計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壓縮空氣流量計相似,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、超聲波式壓縮空氣流量計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,選用超聲波壓縮空氣流量計則是比較合適的。
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,以上幾種型式的壓縮空氣流量計均可以滿足要求。同一種尺寸的壓縮空氣流量計,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壓縮空氣流量計時要加以注意。
必須特別注意抗二維振動的壓縮空氣流量計的安裝,如果水平安裝的壓縮空氣流量計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,當將壓縮空氣流量計轉過90度,則與漩渦發生體相平行的方向上的振動對壓縮空氣流量計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。很多壓縮空氣流量計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、壓縮空氣流量計的選用問題
壓縮空氣流量計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壓縮空氣流量計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壓縮空氣流量計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壓縮空氣流量計。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,選用電容式壓縮空氣流量計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壓縮空氣流量計具有相似的情況,如Eestech公司生產的熱(磁)敏式壓縮空氣流量計。
2.2壓縮空氣流量計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。壓縮空氣流量計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壓縮空氣流量計,在檢修吹掃管線時,就有可能損壞敏感元件。
2.3超聲波壓縮空氣流量計雖然抗振性強,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,則不易選擇超聲波壓縮空氣流量計。因為超聲波壓縮空氣流量計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,不易選用各種壓縮空氣流量計。
3、壓縮空氣流量計的安裝問題
壓縮空氣流量計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。在把壓縮空氣流量計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!
超聲波壓縮空氣流量計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。
4、適用介質問題
一般壓縮空氣流量計可以測量氣體、液體和蒸汽介質流量,但由于各種介質特性千差萬別,傳感器結構形式各異,其適應性也不同。壓電應力式和電容式壓縮空氣流量計應用范圍較廣,但在測量低密度(如H2)和低流速氣體時,由于受到漩渦能量的限制,發生漩渦不強烈,信號比較低;電容式壓縮空氣流量計由于存在兩個導壓小孔,不易測量臟物介質流;超聲波壓縮空氣流量計雖然能測量低流速介質流量(>0.2m/s),但對脈動流比較敏感;熱敏式壓縮空氣流量計靈敏度高,適宜于低溫(<120℃)低密度氣體測量,但因熱敏電阻用玻璃封裝、機械強度低。另外,當檢測元件被流體污垢,檢測靈敏度降低,甚至無信號輸出,所以要針對不同介質的特點,選擇合適的流量計。
5、高溫介質測量問題
很明顯,超聲波壓縮空氣流量計由超聲探頭不能耐高溫,因此,它不能用于高溫介質測量,它目前的測溫上限達200℃(YOKOGAWA UYF)。壓電式壓縮空氣流量計的測溫上限一般不超過300℃,但超過300℃,壓電元件長期處在高溫下,其傳感器的絕緣阻抗急劇下降,輸出信號變小,低頻特性惡化,抗干擾能力大為降低。這是由于壓電晶體多為鋯鈦酚鉛系列壓電陶瓷(PZT),它的居里點(失去壓電效應的溫度)較低,只有300℃。另外壓電陶瓷除具有壓電性能外,還具有熱釋電性(即溫度變化也將引起電荷變化),在高溫下,熱輸出是一個非常討厭的噪聲源。相對來說,電容式壓縮空氣流量計具有較好的高溫測量能力,它的測溫上限達400℃。電容檢測元件有很好的耐高溫性能。
另外,無論哪一種壓縮空氣流量計,當其用于高溫測量時,由于溫度變化使流量計的流通截面積發生變化,因此,必須對流量系數做修正
6、介質溫度、壓力變化場合應用問題
由于壓縮空氣流量計測量的是流過管道流體的體積流量,當流體溫度、壓力變化頻繁時,必然引起密度發生變化,因此,必須對測量結果進行修正。這通常要借助于智能儀表或計算機,內藏溫度或壓力補償公式,壓力測量點和溫度測量點選在流量計下游2D～7D的地方。
7、管道內徑D與流量計口徑d的匹配問題
保證管道內徑與流量計口徑相同是制造廠家對用戶使用壓縮空氣流量計的基本要求。但實際應用表明,由于國外制造廠家流量計口徑標準不一,如DIN (德國標準)、JIS (日本標準)、ANSI (美國標準),這些標準的管道內徑與我國GB標準管道內徑在同一公稱通徑下存在差異。另外,公稱通徑相同時,由于壓力等級要求不一樣,管子的壁厚也不一樣。如英制管SCH40、SCH80兩種管號在同一公稱通徑下其內徑不同。用戶在選擇和安裝壓縮空氣流量計時常常忽視管徑匹配問題,因而,容易引起附加誤差。
總之,應盡量選擇合適的管道內徑使之與流量計口徑相一致,這樣可以避免因管徑異變帶來的誤差。
8、壓縮空氣流量計代替孔板差壓流量計問題。
孔板流量計在目前流量測量家族中占有重要地位,它是工業生產中使用廣泛的一種流量計。壓縮空氣流量計是后起之秀,由于它有許多無可比擬的優點,它的出現對孔板流量計產生了強有力的沖擊,但兩種流量計各有特點,文獻[4]對這兩種流量計的性能做了詳細評價,在許多場合用壓縮空氣流量計代替孔板流量計是適用的,但是在一些場合,壓縮空氣流量計無法取代孔板流量計。在一些特殊場合使用孔板比壓縮空氣流量計要好。在其他大部分場合,完全可用壓縮空氣流量計來代替孔板流量計測量流量。
9、壓縮空氣流量計日前需要解決的問題
壓縮空氣流量計在工程應用中所暴露的某些問題,迫使各生產廠家發展更為實用和完美的壓縮空氣流量計,這要依賴于新技術、新工藝、新材料的發展。
1采用全數字化現場總線(fieldbus)技術。目前的壓縮空氣流量計所采用的HART通訊協議是一種過渡產品,并不代表現場儀表的發展方向。HART協議是一種4～20mA模擬信號與數字通訊信號兼容的標準,它采用頻移鍵控(FSK)技術,在4～20mA的模擬信號上疊加幅度為0.5mA的正弦調制波,以頻率為1200HZ和2200HZ的正弦電流信號代表1和0,通訊信號只用于傳遞輔助信息和診斷信息。由于所疊加的正弦波信號平均值為0,所以數字通訊信號不會干擾4～20mA模擬信號。采用現場總線技術后,傳遞信號完全實現了全數字化,省去了A/D (或D/A)轉換環節,避免了模數轉換誤差,精度進一步提高。另一方面,由于內藏CPU,可實現多種控制算法,從而可實現就地調節,省略了調節器以及大量電纜。因此,帶有現場總線技術的壓縮空氣流量計,前景不可估量。
2采用數字動態濾波器,**跟蹤渦街信號頻率,既使在十分惡劣的應用環境中仍能提供高分辨率的信號,明顯優于傳統的低通和高通濾波器。
3采用先進的傳感器結構,消除任何方向的抗振動干擾,真正實現抗三維方向的振動流量計。
4敏感元件完全不與流體接觸,可在出現故障時**更換,方便拆卸。
5省去外供電,內藏高能電池,在任何不易提供電源的地方也能方便使用。
6實現真正的廣義通用性,壓縮空氣流量計的電路板及敏感元件完全通用,節省備件數量,而且一臺壓縮空氣流量計既能測量不同溫度下的液體流量,也能測量氣體和蒸汽流量。
7無空洞設計,避免臟物介質的堵塞,敏感元件布置在管外,全焊接結構表體,從而消除任何儀表泄漏。
8實現真正質量流量測量,發生體內藏溫度元件和壓力元件,可對流體溫度和壓力的變化而引起密度的變化實現自動校正。
9無需標定,一個出廠的K系數可保持長期穩定。
10溫度范圍進一步拓寬,允許測量更多的過程介質。
壓縮空氣流量計目前的技術水平已發展到可在控制回路中較好地應用。但是,由于所處環境、工藝介質及管路系統等復雜性,真正應用好壓縮空氣流量計,還需要廣大用戶在實踐中不斷摸索。可以相信,隨著制造工藝、新材料和微處理技術的發展,新一代的壓縮空氣流量計必將展示出更加優異的性能。為越來越多的用戶所接受,未來的流量測量領域,壓縮空氣流量計必將占有重要的一環。