應(yīng)變片靶式流量計的應(yīng)用

1.1 靶式流量計的基本工作原理

靶式流量計是一種阻力式儀表，它是應(yīng)用流體動壓原理測量流量的.在流體經(jīng)過的管道中，垂直于流動方向安裝一圓盤形的鋼片，稱為“靶”。當流體流過時，流動質(zhì)點沖擊于靶上，使靶受到作用力且該力與流速的平方成正比例關(guān)系。因此，只要通過力矩轉(zhuǎn)換的方式測出靶上的受力，就可以求出流量。

根據(jù)流體力學分析，流體作用于靶上的力由三部分組成：

(1) 流體對靶正面的沖擊力，即流體的動壓力;

(2) 由于靶對流體的節(jié)流作用在靶的背面形成“死水區(qū)”和渦旋而造成“抽吸效應(yīng)”，使該處壓力減小，靶的前后則產(chǎn)生壓力差;

(3)流體流經(jīng)靶時，由于在環(huán)形截面處流道縮小，流速增加，流體與靶的周邊產(chǎn)生粘滯摩擦力。當流量較大時，摩擦力可忽略不計，前兩種力起主導作用，這兩種力的方向一致，可視為對靶的共同作用力。用下式表示：

式中:

F ——流體作用于靶上的力;

K ——比例常數(shù)，與靶的形狀及雷諾數(shù)有關(guān);

——垂直于流速的靶面積，Ad=πd2/4(d為靶直徑);

ρ ——流體的密度;

υ——環(huán)形流通面積處的平均流速。

根據(jù)流量的定義，流過環(huán)形面積的體積流量為：

式中：

——環(huán)形流通面積，(D 為管道內(nèi)徑)。

經(jīng)換算后可得靶式流量計的實用公式，即

由上式可知，當被測介質(zhì)密度、管道內(nèi)徑已知，靶式流量計選定(靶徑d和比例常數(shù)KA已定)后，作用力F 與流量成平方關(guān)系。只要測得靶上流體作用力F的大小，便可知道被測介質(zhì)的流量大小。這就是靶式流量計的基本測量原理。

1.2 靶式流量計的基本結(jié)構(gòu)

靶式流量計由測量部分和轉(zhuǎn)換部分組成。無論是氣動靶式流量計還是電動靶式流量計，它的測量部分都是相同的，都是由靶、測量管、主杠桿和軸封膜片組成。測量部分的作用是將被測流量轉(zhuǎn)換成作用于主杠桿上的測量力矩。

靶式流量計的電動信號轉(zhuǎn)換部分分為兩種類型：

1.2.1 采用電動差壓變送器轉(zhuǎn)換部分的工作原理

它是將主杠桿所受的測量力矩轉(zhuǎn)換成直流電信號輸出，其原理與DDZШ型差壓變送器的轉(zhuǎn)換部分工作原理完全相同。

1.2.2 采用應(yīng)變片轉(zhuǎn)換機構(gòu)

其結(jié)構(gòu)見圖1、2所示。

靶1上受到流體產(chǎn)生的作用力F，經(jīng)杠桿2、推桿3使懸臂塊4產(chǎn)生微彎曲的彈性應(yīng)變。于是，沿應(yīng)變片軸向平行粘貼在懸臂塊4正面的半導體應(yīng)變片R1和R3的電阻值由于受到拉伸應(yīng)變而增大，而粘貼在背面的應(yīng)變片R2和R4的電阻值由于受到壓縮應(yīng)變而減小。輸出電壓信號Uab 與靶上所受到的作用力成線性關(guān)系，與被測介質(zhì)流量成平方關(guān)系。由于R1、R3和R2、R4處于測量橋路相對橋臂的支路上，從而提高了變送器的靈敏度。

WELKIN 公司推出的 WFV 系列靶式流量計就是

采用了應(yīng)變片電橋的結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)換公式如下：

其應(yīng)變片電橋電路如圖3。

2 靶式流量計的特點

2.1 傳統(tǒng)靶式流量計性能分析

由于傳統(tǒng)靶是通過杠桿力平衡原理或矢量機構(gòu)平衡原理來進行流量信號與輸出信號的轉(zhuǎn)換處理的，因此在實際應(yīng)用中顯現(xiàn)出許多不盡人意的缺陷。

(1)傳統(tǒng)靶式流量計構(gòu)成矢量機構(gòu)及轉(zhuǎn)換單元的元件受溫度影響較大，因此不能耐高溫。另外由于可動元件多，靶易磨損變形，不能長期穩(wěn)定工作，因此測量精度低，調(diào)校工作量大。

(2)氣動靶式流量計的變送器本身是易振蕩的，因此需要加裝阻尼裝置方能使用。但當儀表感受介質(zhì)壓力波動、沖擊時則極易加劇振蕩，影響穩(wěn)定作用。

(3)傳統(tǒng)的電動靶式流量計的電磁反饋系統(tǒng)和信號檢測放大器易受外界磁場影響。

(4)投運要求和安裝費用高，需安裝旁路管道，維護量大。

(5)不適宜大管徑測量，使用范圍受到限制。正是由于以上缺陷的存在，極大的影響了靶式流量計在實際生產(chǎn)中的推廣。

2.2 新型靶式流量計的特點

(1)應(yīng)變片式靶式流量計其測量電橋與介質(zhì)是完全隔離的，而且全部采用焊接結(jié)構(gòu)，因此不僅耐高溫,還具有耐高壓的性能;同時也可以檢測多種腐蝕性介質(zhì)。

(2)應(yīng)變片式靶式流量計測量精度較高、長期穩(wěn)定性及對各種工況的適應(yīng)性較好。從其原理和結(jié)構(gòu)可以看出，管道震動對靶式流量計的檢測不會有影響。

(3)壓力損失小于渦街流量計，只有傳統(tǒng)孔板的六分之一，節(jié)能效果明顯。

(4)適用范圍廣泛，可以檢測各種氣、液、蒸汽，也可以檢測脈動流和高粘度液體。

(5)具有安裝簡便、無需維護、響應(yīng)快、重復性好的特點，可現(xiàn)場進行設(shè)定;也可通過靶式流量計傳統(tǒng)的掛重法進行校正，還可以通過更換靶盤來改變流量計的測量范圍。靈活性好，使用壽命長。

3 靶式流量計在生產(chǎn)中的應(yīng)用

3.1 靶式流量計的安裝

(1)安裝位置應(yīng)在環(huán)境溫度低于60度，不能安裝在直接受雨淋和日曬的地方，安裝位置應(yīng)便于拆裝、操作及維修。

(2)流量計前后應(yīng)加裝截止閥、旁路閥及放空閥，以便檢修儀表時不影響正常生產(chǎn)。

(3)流量計可水平和垂直安裝。但當流體中含有顆粒狀物質(zhì)時，必須水平安裝。垂直安裝時，流體的流動方向應(yīng)由下而上。

(4)管道式靶式流量計有嚴格的直管段要求，一般表前至少有10D直管段,后面5D 長的直管段。稍長將更為理想。

(5)流量計必須與管道同心，前后不應(yīng)有墊圈凸出管道，法蘭焊縫處不應(yīng)有突出物。連接管道的表面與連接處以及安裝墊片務(wù)必注意保持清潔、干凈和光滑。

3.2 靶式流量計的常見故障及處理方法

3.2.1 故障現(xiàn)象：流量很小時儀表顯示較大。

石化公司兩酸裝置酸性氣流量測量儀表為靶式流量計。使用一年后，與差壓流量計比較，當流量較小時，儀表卻指示較大。現(xiàn)場拆下來用砝碼掛重法校驗，發(fā)現(xiàn)流量計是好的。

分析及處理：經(jīng)分析，主要原因是流體中的雜物纏繞在靶桿上，增加了靶板的受力面積，增加了流體的阻力，在有流量的狀態(tài)下容易指示較大或滿量程。另外，由于裝置開車前，系統(tǒng)管線吹掃不干凈，有部分小的雜質(zhì)存在于管線中，使靶板卡在某一位置，造成儀表指示誤差。為防止流體中雜物纏住靶板，在泵出口加設(shè)過濾網(wǎng)，濾掉較大的雜物。

3.2.2 故障現(xiàn)象：儀表指示誤差較大。

由于安裝誤差，不能保證所有的插人式靶式流量計的靶板位于管道中心，也不能保證靶板完全垂直于管道。因此產(chǎn)生工藝工況和出廠前標定時的工況存在差異，從而造成靶式流量計的測量誤差。

分析及處理：按照安裝要求，重新安裝和測試。用比較法在生產(chǎn)現(xiàn)場修正靶式流量計的誤差。

3.2.3 故障現(xiàn)象：流量指示很不穩(wěn)定，與實際測量值不符。

分析及處理：將靶式流量計從安裝位置拆卸下來后，發(fā)現(xiàn)測量部分由于酸、堿性等腐蝕性介質(zhì)的作用，都有不同程度的腐蝕。腐蝕的結(jié)果，是使得靶前后的壓力差和靶周邊與流體產(chǎn)生的粘滯摩擦力都發(fā)生了變化，從而使電壓信號出現(xiàn)偏差。經(jīng)過對工藝介質(zhì)及靶式流量計材質(zhì)的研究分析，采用內(nèi)襯聚四氟乙稀防腐蝕-耐酸堿材料，經(jīng)過半年時間的使用，從記錄資料來看，數(shù)據(jù)基本符合。

3.2.4 故障現(xiàn)象：傳感器故障。

分析及處理：在流量計斷電的情況下，將四根不同顏色的信號線與變送器斷開，逐一測量惠斯通電橋的四根信號線兩兩之間的電阻值。正常情況下，電阻值一般在250歐姆至350歐姆之間，如果檢測的阻值遠大于該數(shù)值(幾兆歐姆以上)，則可以判斷流量計傳感器內(nèi)部出現(xiàn)了斷路。同時，需要檢查信號線與外殼之間是否有漏電，以確認儀表絕緣性能良好。如果傳感器內(nèi)部出現(xiàn)斷路，需要對傳感器及時更換。如果漏電，則信號線內(nèi)部可能有水分滲入，需要將防護部件拆卸，風干儀表，再重新作絕緣防護，并保持導線連接點的清潔和干燥。

3.2.5 故障現(xiàn)象：靶片杠桿損壞變形，流量顯示最大。

煉廠蒸汽管網(wǎng)安裝一臺靶式流量計，儀表投用三個月后，工藝操作降量，發(fā)現(xiàn)流量指示仍然最大。經(jīng)檢查，儀表傳感器接線及轉(zhuǎn)換元件均工作正常。拆卸流量計，檢查發(fā)現(xiàn)與靶連接的杠桿已變形。排除故障的處理方法

分析及處理：通過歷史數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)該表選型不當。管道的實際流量應(yīng)為7000kg/h,而儀表的測量上限為6000kg/h，致使儀表長期超負荷工作,容易造成杠桿變形。另一方面，由于儀表前后壓差過大，靶片長期處于該狀態(tài)下，測量元件也容易勞損變形。我們對工藝參數(shù)重新分析計算后，聯(lián)系廠家對靶片及杠桿進行替換，使儀表測量范圍符合工藝要求。同時，工藝調(diào)整操作，降低管道介質(zhì)的壓力波動。

3.2.6 故障現(xiàn)象：安裝不當，造成指示故障。

分析及處理：流量計管道安裝時，密封面損壞或碰撞造成靶板及測量桿變形，會嚴重影響測量精度。分析及處理：在安裝時，務(wù)必要小心謹慎。對于插入式，應(yīng)保證配對法蘭短管的選擇合適以及靶片插入到準確位置。

4 結(jié)束語

壓敏應(yīng)變片式靶式流量計具有結(jié)構(gòu)堅固、阻力小、泄漏點少、測量精確度和靈敏度高、維護簡便等特點，可適用于各種氣體、液體及蒸汽等介質(zhì)的測量，及解決高粘度，低雷諾數(shù)流體的流量測量。隨著檢測技術(shù)和制造工藝的進步和發(fā)展，壓敏應(yīng)變片式靶式流量計在工業(yè)生產(chǎn)流體檢測中將得到越來越廣泛的應(yīng)用。