關（guān）於兩線製氨氣流量計的設計與（yǔ）改進（jìn）方案（àn）介紹

新型兩線製氨氣流量計（又稱渦街流量變送器）產品是根據卡曼渦街原理，采用磁敏式、壓電式檢測（cè）傳感器檢測漩渦（wō）發生（shēng）體產生的頻率信號，作為信號處理器的輸入，經過（guò）信號的檢（jiǎn）測、濾波、放大、限幅、頻電轉換等處理（lǐ），輸出標準4～20mA信（xìn）號。產品具有（yǒu）係列化、標準化（huà）、通用化，流量（liàng）測量壓損小、量程比（bǐ）寬、結構簡單（dān）、應用範圍廣、工作穩定可靠（kào）、便（biàn）於安裝調（diào）試等（děng）特點，能夠適用於石油、化工、冶金、電力、醫藥、食品等行業的工業管道（dào）中氣體、蒸汽、液體多種介質的流量精確測量，適用範圍廣。本文針（zhēn）對於兩線製（zhì）氨氣流量計的測量原理、設計實現與改進完善（shàn）方法（fǎ）。氨氣流量計由漩渦發生體、檢測傳感器和信號處（chù）理器組（zǔ）成，集成了頻（pín）率信號產生、信號濾波和（hé）處（chù）理，產品經過不（bú）斷地改進完善，通（tōng）過出廠試驗（yàn）及實際應（yīng）用證明氨氣流量計各項性能（néng）指標達到了設計要求，已得到廣泛應用（yòng），取（qǔ）得了良好的（de）經濟效益。
1、氨氣流量計的測（cè）量原（yuán）理
氨氣流量計的檢測傳感器是根據卡（kǎ）曼渦街原理設計的，氨氣流量（liàng）計儀表表體直徑與儀表的公稱口徑基本相同，一般通過卡裝或（huò）法蘭（lán）連接（jiē）。表體內安（ān）裝了一個近似為等腰三角形的柱體（以下簡稱三角柱）。三角柱垂（chuí）直安裝在表體中，底麵迎向流體。當管道中（zhōng）被測介質流過三（sān）角柱（zhù）時，在三角柱兩側交替產生（shēng）旋渦（wō），旋渦不斷（duàn）產生和分離，在三角柱下遊便形成了交錯排列的兩列旋渦即“渦街”，安裝（zhuāng）在流體管道中的三角柱即漩（xuán）渦發生體，產生的這（zhè）種旋渦稱為卡曼渦街，如（rú）圖1所示。

設（shè）三角柱迎流麵寬度為（wéi）d，表體內（nèi）徑為D，被測（cè）介質在管道中的平均流速為V，旋渦的發生頻率為f，根據卡（kǎ）曼（màn）渦街原理，卡曼（màn）渦街的頻率（lǜ）有如下關係：
式（shì）中：f—分離頻率；Sr—斯特勞哈爾數（Strouhal number）；V—管道中的平均流速；d—三角柱的迎流麵寬度。
公式（1）中的斯特勞哈爾數為無（wú）量綱參數，它與旋渦發生體形狀及雷（léi）諾（nuò）數（Re）有關（guān），如圖（tú）2所示（shì）。

在Re=2×104～7×106範圍（wéi）內（nèi），Sr可視為常數，雷諾數在這段範圍內是渦街（jiē）流量氨（ān）氣流量計線（xiàn）性測量範圍。由公式（1）可見，旋渦的分離頻率與流體流速成正比，通過檢測旋（xuán）渦的分離頻率，可（kě）以測出（chū）流體（tǐ）速度，進而測量出流體的瞬時體積流量（liàng）。
旋渦交錯分離，在三角柱兩側及後麵的尾流中產生脈動的壓力（lì），設在三角柱內部（或後麵）的檢測傳（chuán）感器受到這種微小的脈動壓力的作用，使安裝在傳（chuán）感器內的壓電陶瓷元件受到交變應力而產生交變電荷信號。該信（xìn）號經放大器上（shàng）的電荷放大、濾波限幅和觸發整形處理後，輸出頻（pín）率與（yǔ）旋渦分離頻率相同的方波電壓脈衝信號。傳感器輸出的每一個脈衝將代表一定體積的被（bèi）測流體。一段（duàn）時間內的輸出總脈衝數，將代表這段時間內流（liú）過傳感器（qì）的流體總（zǒng）體積。
式中：K—儀表係數（單（dān）位體積的脈衝數（shù））；n—脈衝數；Qv—流體體積（m3）。
氨氣流量計（jì）傳感器輸出的脈衝（chōng）頻率信號不受流（liú）體物性和組分變化的影響，即儀表係數K在一定雷諾數範圍內僅與旋渦發生體及管道的形狀尺寸（cùn）等有關。
2、氨氣流量計（jì）的設計
氨氣流量計設計包括兩個部（bù）分：表體部分和信號處理器。
表體（tǐ）部分根據測量管徑可以設計為圓環式或插（chā）入式。表體（tǐ）與測量管道的（de）連接方式分為法（fǎ）蘭卡裝式、法蘭連接式和插入式。頻（pín）率（lǜ）檢測傳感器根據測量介質和測量環境不同可以選擇（zé）磁敏式、壓（yā）電式（shì）。
磁敏式傳感器應（yīng）用電磁感應（yīng）原（yuán）理測量，是傳感器產品的一個重要組成部分，磁（cí）敏傳感器應用的*大優（yōu）點是可以實現無接觸測量（liàng）；檢（jiǎn）測（cè）頻率過高時，磁敏式傳感器運（yùn）動部件容易損壞，因此磁敏式傳感器適用於（yú）檢測管道（dào）內流速較低，產生的漩渦頻率較（jiào）低的場（chǎng）合。
壓（yā）電式傳感器利用正壓電效應進行檢測。某些電介質（如石英晶體、壓電陶瓷），當沿著一定方向對其施（shī）力而（ér）使它變形時，內部就產生*化（huà）現象，同時在它的一定表麵上產生電（diàn）荷（hé），當外力去掉後，又重新恢複不帶電狀態的現象。當作用力方向改變時，電荷*性也隨著改變。輸出電壓的頻率與動態力的頻（pín）率相同；當動態力變為靜（jìng）態力時，電荷將由於表麵漏電而很快泄漏、消失。壓電（diàn）式傳感器是一種典型（xíng）的自發電式傳感器。兩線製渦街流量氨氣流量（liàng）計采用的壓電傳感器主要檢測元件是壓電陶瓷。
壓電式傳（chuán）感器具有體積小、質量輕、信噪比大等特點。由於它沒有（yǒu）運動部件，因此結構堅固、可靠性、穩定性高，適用（yòng）於流速高、頻率較高的測量場合。
為保證流體經過三角柱（zhù）時的流速比較平穩，能後產生穩定（dìng）的漩渦頻率，氨氣流量計表體安裝應與液體流動方向垂直，三角柱的上遊和下遊應保證一定（dìng）長度的直管段，其長度應符合前直管段15～20D，後直管（guǎn）段（duàn）5～10D的（de）要求。安裝液體傳感器的附近管道內（nèi）應充滿被測液體，如（rú）果達不到滿管要求，應進行變徑處理。根據傳感器的測量（liàng）原理（lǐ），傳感器應避免安（ān）裝在有強烈機械振動（dòng）的管道上。傳感器應避免安裝在（zài）有（yǒu）較強電（diàn）磁場幹擾、空間小和維修不方便的場合。
信號（hào）處理器對渦街流量傳感器產生的頻率（lǜ）信號（hào）經（jīng）過濾波、放大（dà）、頻電轉換等幾個環節處理，*終將（jiāng）頻（pín）率（lǜ）信號轉（zhuǎn）換為標準4～20mA信（xìn）號輸（shū）出（chū）。信號處理器框圖如圖（tú）3所（suǒ）示（shì）。

3、氨氣流量計設計的改進完善
氨氣流量計研發成功投（tóu）入市場以來，現場運行過程中，發現氨（ān）氣流量計的信號處理器（qì）在（zài）設計（jì）方麵存在一些不完善（shàn）之（zhī）處，在現場電磁幹擾較強場合會影響儀表的測量精度，因此需要對信號處理器電路及結構進行改進。
3.1 電源浮地問題的改進
由於氨氣流量計的供電電源要求浮地，因此爆炸環境條件下使用的氨氣流量計配有隔離式（shì）安全柵。在非爆炸性環境條件下，由於（yú）現場標準24V供電（diàn）電源負端直接接地，用戶沒有按照要求對電源進行浮（fú）地處理，造成氨氣流量計不能正常（cháng）工（gōng）作，甚至損壞電路板中元器件。因為現場設備大部分為防止電磁幹擾，需要電源直（zhí）接接地，本氨氣流量（liàng）計電源單獨需要浮（fú）地，用戶需單（dān）獨為（wéi）本（běn）氨氣流量計提供電源，給用戶增加成本，因此需對氨氣流量計的信號處理器進行改（gǎi）造，解（jiě）決電源（yuán）需要浮地的問題。
通（tōng）過實驗改變頻電轉換板中集成（chéng）塊的工作電壓（yā），使集成塊的電源地與氨（ān）氣流量計的24V DC直流電源直接相連；給信號放大器的輸入信號端增加電位平移電路，同時改進電（diàn）壓電流轉換電路。經過上述改進電路試驗，氨氣（qì）流量計電源可以直接接地，解決了氨氣流量計供電電（diàn）源需要浮地的問題，方便了用戶的使用。 在爆炸性環（huán）境條件下使用時，安全柵可以選用普通型（xíng），不用再選（xuǎn）擇隔離式安全（quán）柵了。
3.2 流量波動較大（dà）問題的改進辦法
由於氨氣流量計采用兩線製電路，輸出標準4～20mA信號，信號處理器的自身（shēn）功（gōng）耗不能過大。因此對渦街流量傳感器信號的放大、濾波等處理電路不能太複雜，需要靠調整（zhěng）部分元器件的參數值來滿（mǎn）足（zú）不同介（jiè）質和不同測量範圍。出廠（chǎng）標定時，因為標定現（xiàn）場電（diàn）磁幹擾、振動幹擾等影響因素較弱（ruò），標定好的參（cān）數在用戶現場因為環境不同、幹擾（rǎo）信號強弱不同，現場（chǎng）測量出現不（bú）穩定情況，特別是在流量較低（dī）時，流量波動較大，必須派維修人員到現場進行參數調整，因此在電路板設計時將幾組參數的元（yuán）器件同時焊接在（zài）電路板上，調試維修時通（tōng）過撥（bō）動開關加以組合選擇，用戶就可以現場調（diào）試（shì），方便用戶的使用，提高了測量的精度。
3.3 氨氣流量計結構的改進
3.3.1 接線端子的改進
氨氣流量計為方便（biàn）用戶現場觀察流量變化，設計帶有現場指示的4～20mA流量表頭（tóu）。接（jiē）線時需要將指示表頭拆下來，接線後需要重新安裝表（biǎo）頭，給現場施工（gōng）人員帶來不便。針對這個問題，改進了氨氣流量計的信號處理器殼體結構，將接線端子調整到線路板一側，表頭一側不再進行接（jiē）線，方便了儀表的（de）安裝。
3.3.2 指示表頭線路的改進
現場指示表頭串聯在4～20mA電流輸出電路中，一旦表頭出現損壞斷路，造成氨氣流量計（jì）無法正常工作。現場指示表頭的指針靈敏度高，在運輸和使用過程中*易出現指（zhǐ）針卡住、指示不（bú）準或損壞現象，除了（le）選擇質量可靠的（de）指示表頭廠家外（wài），同時在電路中加以改進（jìn）。在表頭後正向並一（yī）個開關二*管，表頭出現損壞後（hòu），氨氣流量計仍然能正常工（gōng）作。
在表頭後（hòu）正向並聯開關二*管即能解決表頭（tóu）損壞後氨氣流量（liàng）計仍能正常供電工作問（wèn）題，也不會對測量（liàng）結果（guǒ）造成影響。因為電流表表頭的（de）內（nèi）阻約為6Ω左右，正常工作時通過表頭的電流在4～20mA之間，根據歐姆定律，正常工（gōng）作時表頭兩端的電壓（yā）在0.024～0.12V之間，遠低於二*管的（de）導通電壓0.7V，同時也遠低於二*管的死區電壓0.5V，因此正常工作時，正向（xiàng）並聯的二*管正向（xiàng）等效電阻很大，正向電流（liú）幾乎為零，不會（huì）影響測量結果。出現指示表頭（tóu）損壞斷（duàn）路時，正向並聯的開關二*管導通，氨氣流量計仍能正（zhèng）常（cháng）工作，輸出4～20mA電流信（xìn）號。
4、氨氣流量計的特點
渦街流量（liàng）傳感器檢測具有不受流體組分、密度、溫度、壓力的影響，無可動部件、產品無磨損、耐髒汙，無（wú）需（xū）機械維修，可靠性高、使用（yòng）壽命長；測（cè）量範圍（wéi）寬，一般量程度可達10：1以上；整（zhěng）體結構設計合（hé）理，壓力損失約為孔（kǒng）板流量計的1/4～1/2，壓力損失較小（xiǎo）；在一定雷諾數範圍內，輸出頻率信號不受流體的密度、粘度和組分的影響，即儀表係數僅與旋渦發生體（tǐ）及管（guǎn）道的形（xíng）狀尺（chǐ）寸有關，隻需在一種典型介質中校驗而適用於各種介質；與節流式差壓流量計相（xiàng）比較，無（wú）需導壓管和三閥組等，不易出（chū）現泄（xiè）漏、堵塞和凍結等現（xiàn）象，不易結垢，耐高溫、高壓；結構簡單牢固，安裝方便，維護費較低（dī）；應用範圍廣泛，可適用液體、氣體和（hé）蒸氣等不同介質的測（cè）量。
氨氣流量計（jì）有多種信號和規格（gé），有磁敏式、壓電式檢測（cè）方式，能（néng）夠適用於流量計量的大部分場合要求，廣泛（fàn）應用於石油、化工、冶金、城市集中供暖以（yǐ）及（jí）紡織和食（shí）品（pǐn）等行業。本氨氣流量（liàng）計（jì）采用本質安全型結（jié）構，與安（ān）全柵一起組成（chéng）本質安（ān）全係統。
由於（yú）氨氣流量（liàng）計不（bú）適用於低雷諾數流量測量，在管道內介質粘度高、流速低、管徑小等情況下測量精度無法保證，應用（yòng）受到限製；並且氨氣流量計對測量管道的機械振動較敏（mǐn）感，不宜（yí）安裝於有強振動的場所。選（xuǎn）擇傳感器安裝場所時盡量避開振動源，采取加裝管道支撐物等措施，減小測（cè）量管道的振動幅度，降低振動對測量信號（hào）的（de）幹擾，提高測量的精確度。
5、結論
研（yán）製的兩線製氨氣流量計，根（gēn）據測量介質及工（gōng）況（kuàng）環境選擇適宜的測量傳感器，以達到較高的工作可靠性和測量精確度。通過實際（jì）應用及線路（lù）及結構（gòu）的不斷改進，兩（liǎng）線製渦街流量（liàng）氨氣流量計性能得到了完善和提高，使（shǐ）用方便、可（kě）靠，得到了廣泛的應用，已累計生產四百多台，為企業創造產值三百多萬元，取得了良好的經濟效益。

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