一、用途與特點(diǎn)

氦氣流量計(jì)是一種采用壓電晶體作為檢測(cè)元件的新型應(yīng)力檢測(cè)式氦氣流量計(jì)。該儀表具有量程比寬、精度高、壓力損失小、介質(zhì)通用性好、有與流量成正比的脈沖信號(hào)輸出、便于和計(jì)算機(jī)聯(lián)用等優(yōu)點(diǎn)。由于傳感器采用的檢測(cè)探頭與旋渦發(fā)生體分開安裝：而且耐高溫的壓電晶體不與介質(zhì)接觸，因此,儀表具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通用性好和穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。

氦氣流量計(jì)可用于各種氣體、液體和蒸汽的流量檢測(cè)及計(jì)量。

二、工作原理

氦氣流量計(jì)的基本原理是卡門渦街原理,即“渦街旋渦分離頻率與流速成正比”。

變送器流通本體直徑與儀表的公稱口徑基本相同。如圖一所示,流通本體內(nèi)插入有一個(gè)近似為等腰三角形的柱體,柱體的軸線與被測(cè)介質(zhì)流動(dòng)方向垂直,底面迎向流體。

當(dāng)被測(cè)介質(zhì)流過柱體時(shí),在柱體兩側(cè)交替產(chǎn)生旋渦,旋渦不斷產(chǎn)生和分離,在柱體下游便形成了交錯(cuò)排列的兩列旋渦即“渦街”。理論分析和實(shí)驗(yàn)已證明,旋渦分離的頻率與柱側(cè)介質(zhì)流速成正比。

式中:ｆ── 柱體側(cè)旋渦分離的頻率(Ｈｚ);

Ｖ── 柱側(cè)流速(ｍ/ｓ);

ｄ── 柱體迎流面寬度(ｍ);

Ｓr── 斯特勞哈爾數(shù)。是一個(gè)取決于柱體斷面形狀而與流體性質(zhì)和流速大小基本無關(guān)的常數(shù), Ｓr:0.17～0.18。

氦氣流量計(jì)的設(shè)計(jì)柱寬ｄ與流通管直徑Ｄ具有固定的比值,因此,流經(jīng)管內(nèi)的平均流速Ｖ與柱側(cè)流速Ｖ有固定的比值:

由于上式中,ｄ和Ｄ都是已知的結(jié)構(gòu)尺寸,而Ｓr是常數(shù),因此測(cè)得旋渦分離頻率ｆ,便測(cè)得了管內(nèi)平均流速,從而測(cè)得流量Ｑ:

Ｑ＝3600Ｆ·Ｖ

式中:

Ｆ──傳感器流通本體的流通面積(ｍ2);

Ｖ──傳感器流通本體的平均流速(ｍ/ｓ)。

旋渦交錯(cuò)分離,在柱體兩側(cè)及柱體后面的尾流中產(chǎn)生脈動(dòng)的壓力,設(shè)在柱體內(nèi)部(或后面)的檢測(cè)探頭受到這種微小的脈動(dòng)壓力的作用,使埋設(shè)在探頭內(nèi)的壓電晶體元件受到交變應(yīng)力而產(chǎn)生交變電荷信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)放大器上的電荷變換、放大，濾波限幅和觸發(fā)整形處理后，輸出頻率與旋渦分離頻率相同的電流（或電壓）脈沖信號(hào)。傳感器輸出的每一個(gè)脈沖將代表一定體積的被測(cè)流體。一段時(shí)間內(nèi)的輸出總脈沖數(shù),將代表這段時(shí)間內(nèi)流過傳感器的流體總體積。

三、主要參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)

1.使用條件及參數(shù)

環(huán)境溫度：-40～55℃;

相對(duì)濕度: 5％～90％;

大氣壓力: 86～106ｋＰａ;

被測(cè)流體是單相流體或可以認(rèn)為是單相的流體;

流量計(jì)上下游有符合表１規(guī)定的直管:

2.技術(shù)參數(shù)

公稱通徑:25～300ｍｍ； 公稱壓力:2.5ＭＰａ、4.0ＭＰａ;

測(cè)量介質(zhì):液體、氣體、蒸汽; 精度等級(jí):1.0級(jí)；

介質(zhì)溫度:-40～+350℃; 重 復(fù) 性:≤0.2％；

線 性 度:≤±1.0％; 本體材質(zhì):1Ｃr18Ｎi9Ｔi;

連接方式:法蘭卡裝式； 負(fù)載電阻:負(fù)載電阻不超過350Ω。

供電電源:電源電壓24Ｖ,ＤＣ;

輸出信號(hào):電壓脈沖或電流脈沖，低電平4±0.5mA,高電平20±1mA;

流量范圍:見表2及其說明Ａ與Ｂ

四. 結(jié)構(gòu)及電路原理

1．傳感器的結(jié)構(gòu)

如圖二所示傳感器由流通本體14,三角柱15,檢測(cè)探頭19,連接支承桿10和檢測(cè)放大器殼體5與電子線路板6，以及其它配件組成。被測(cè)流體從流通本體流過時(shí)，檢測(cè)探頭測(cè)出旋渦分離信號(hào),檢測(cè)放大器則將信號(hào)放大和變換,輸出供二次儀表接收的頻率信號(hào)。連接桿不僅起連接作用,并且還起到屏蔽及散熱作用。

2．傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸

各種不同口徑規(guī)格的傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸見圖三和表3

五、接線及安裝

1. 接線:

應(yīng)力式渦街流量傳感器輸出為電流（兩線制）或電壓（三線制）脈沖信號(hào)，一般配套相應(yīng)的二次儀表進(jìn)行流量測(cè)量。

(1). 安裝傳感器的管道及放大器殼體應(yīng)有良好的接地(接地電阻不大于10Ω)。

(2). 流量傳感器可以直接與計(jì)算機(jī)聯(lián)用,用戶需要這樣使用時(shí)也需在訂貨時(shí)說明。此時(shí)采用三線制接線,系統(tǒng)應(yīng)為傳感器提供＋24Ｖ,ＤＣ,30ｍＡ的直流電源，傳感器向計(jì)算機(jī)輸出５Ｖ（ＰＰ）電壓脈沖信號(hào)。

(3). 傳感器與流量積算儀(二次儀表)之間導(dǎo)線長(zhǎng)度一般限制在200米以內(nèi)。傳輸距離超過200米時(shí),應(yīng)通過實(shí)地接線試驗(yàn),保證線路的衰減和引入的干擾不影響儀表正常測(cè)量。

接線端子

2．安裝

(1). 安裝地點(diǎn)的選擇

a. 環(huán)境溫度:傳感器的工作環(huán)境溫度不低于-40℃,不高于+55℃,如受到生產(chǎn)設(shè)備的熱幅射時(shí),應(yīng)采取隔熱和通風(fēng)措施。

b. 環(huán)境空氣:避免將流量計(jì)安裝在含腐蝕性氣體的環(huán)境中,如只能安裝在含腐蝕性氣體的環(huán)境中,則需提供充分的排風(fēng)措施。

c. 機(jī)械振動(dòng)和沖擊:流量計(jì)的結(jié)構(gòu)是堅(jiān)固的,不會(huì)因振動(dòng)而損傷,但振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生干擾信號(hào),若管道上的振動(dòng)和沖擊強(qiáng)烈,而介質(zhì)流速又低,則可能導(dǎo)致干擾信號(hào)大于流量信號(hào),造成示值誤差。因此,流量計(jì)應(yīng)當(dāng)盡可能安裝在振動(dòng)和沖擊小的場(chǎng)所,安裝位置在5～20Ｈｚ的振動(dòng)頻率下,要求振動(dòng)加速度不大于1ｇ,否則應(yīng)采取減振措施。例如在流量計(jì)安裝處振源來向的管道上加裝固定支撐。

d. 其它:流量計(jì)安裝地點(diǎn)周圍應(yīng)有充裕的空間,安裝在高處的流量計(jì)應(yīng)盡量有工作平臺(tái),以便于安裝和維修。此外,為了維修檢查方便,附近應(yīng)有可供測(cè)量?jī)x器用的交流220Ｖ電源插座。

(2). 管道安裝與要求

a. 傳感器上游側(cè)和下游側(cè)應(yīng)有足夠長(zhǎng)的直管段。直管段長(zhǎng)度應(yīng)符合表1的要求。

b. 在規(guī)定的直管段長(zhǎng)度內(nèi),管道入流段與出流段目測(cè)應(yīng)是平直的。為保證被測(cè)介質(zhì)滿管,傳感器應(yīng)盡量避免安裝在調(diào)節(jié)閥、半開閘閥的下游。一般情況下不在擴(kuò)大管后安裝流量傳感器。

c. 本傳感器可垂直、水平或其它任何角度安裝,將傳感器安裝在垂直或傾斜管道上時(shí),流體流向應(yīng)是自下而上的。

d. 需要在傳感器附近裝設(shè)取壓或測(cè)溫點(diǎn)時(shí),取壓點(diǎn)應(yīng)在傳感器前1Ｄ以外,測(cè)溫點(diǎn)應(yīng)在傳感器5Ｄ以外。

(3). 渦街流量傳感器的安裝

本傳感器與相應(yīng)的累積顯示儀配套,組成渦街流量計(jì),它們?cè)诎惭b時(shí)必須注意下列事項(xiàng):

a. 被測(cè)介質(zhì)流向必須與傳感器流通本體上的流向箭頭標(biāo)志一致。

b. 檢測(cè)放大器與傳感器是按照測(cè)量范圍和公稱通徑配套的,不能互換。

c. 安裝卡裝式流量傳感器時(shí),可通過專用凹面法蘭的凹面保證管道和傳感器流通本體同心。并注意密封墊不能深入管中。

安裝用的凹面法蘭和雙頭螺栓、螺母請(qǐng)?jiān)谟嗀洉r(shí)一起訂購。當(dāng)用戶自己解決時(shí),法蘭尺寸、雙頭螺栓的長(zhǎng)度參看圖五和表5及表6。

d. 安裝法蘭連接式傳感器時(shí),要注意管道上的法蘭應(yīng)與傳感器的法蘭規(guī)格一致,(法蘭尺寸按標(biāo)準(zhǔn)JB81-59)密封墊不要深入管內(nèi)。

e. 與傳感器配套的累積顯示儀表,可集中裝在儀表盤上,也可另購置本廠出品的單獨(dú)儀表箱。

六、檢查及調(diào)整

1、傳感器放大器靜態(tài)工作點(diǎn)如表7

靈敏度的調(diào)整

靈敏度的調(diào)整起抑制振動(dòng)及其它干擾作用,防止在振動(dòng)強(qiáng)烈的場(chǎng)合,引起信號(hào)的誤觸發(fā),造成計(jì)量不準(zhǔn)確。靈敏度調(diào)整電位器Ｗ2在出廠時(shí)已調(diào)于適當(dāng)位置?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)整的目的是為了使儀表適應(yīng)工作狀況,使其工作在狀態(tài),現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整的主要目標(biāo)是:

(1). 使傳感器在使用條件下獲得有規(guī)則的、電氣和機(jī)械干擾噪聲較小的渦街信號(hào)。

(2). 渦街信號(hào)的強(qiáng)度(信號(hào)幅度)適當(dāng),電路的脈沖信號(hào)連續(xù)而均勻,無漏信號(hào)和多觸發(fā)信號(hào)現(xiàn)象,各測(cè)試點(diǎn)波形如圖九所示。

達(dá)到(1)的目標(biāo)的標(biāo)志是:由放大器檢測(cè)點(diǎn)ＴＰ1觀察到的信號(hào)波形是較規(guī)則的(疊加有不大的噪聲信號(hào))正弦波。信號(hào)頻率穩(wěn)定,且隨流量變化而變化。

如ＴＰ1信號(hào)不正常,應(yīng)通過改善接地消除電氣干擾,減弱機(jī)械振動(dòng)噪聲影響或糾正管道安裝對(duì)中不良,法蘭墊片放置不當(dāng)?shù)仁剐盘?hào)質(zhì)量得到改善。

為達(dá)到輸出脈沖信號(hào)均勻連續(xù)、無多觸發(fā)或漏觸發(fā)現(xiàn)象,可用雙蹤示波器同時(shí)觀察ＴＰ2和ＴＰ3的波形并互相配合地調(diào)整增益電位器Ｗ1和觸發(fā)靈敏度電位器Ｗ2來實(shí)現(xiàn)。調(diào)整在無流量的情況下進(jìn)行,打開傳感器前蓋,用示波器觀察ＴＰ3波形,如無流量時(shí)有方波信號(hào),則反時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)電位器Ｗ2,減少靈敏度,直至脈沖消失為止。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)小,介質(zhì)流速又很低時(shí),如靈敏度調(diào)得過低,則可能在有流量時(shí)無脈沖方波。這時(shí)應(yīng)在管道流量為測(cè)量下限流量的情況下,順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)Ｗ2提高靈敏度直至出現(xiàn)正常的脈沖輸出為止(參見圖十)。

應(yīng)當(dāng)兼顧到上述兩種情況,調(diào)整好Ｗ2的位置,使得在無流量時(shí)無脈沖輸出,而處于測(cè)量下限流量時(shí)有正常的脈沖輸出。

七、拆卸和重新裝配

維修和替換零件時(shí),可參閱傳感器的結(jié)構(gòu)圖(圖二),

接下述順序拆卸和裝配。

1、傳感器檢測(cè)放大器的拆裝

(1). 切斷電源;

(2). 打開檢測(cè)放大器側(cè)的蓋子;

線2條,信號(hào)輸出線2條,接地線1條;

(4). 松開固定放大器的3顆螺釘,垂直拿出放大器線路板;

(5). 重新安裝時(shí),先將引線插入各接線柱,扭緊螺絲,再將放大器組件的3 個(gè)螺釘對(duì)準(zhǔn)安裝孔,固緊放大器固定螺釘。

2、檢測(cè)探頭的拆卸

當(dāng)檢測(cè)探頭對(duì)外殼已短路(探頭引線對(duì)地絕緣電阻小于1ＭΩ)或已損壞無信號(hào)輸出時(shí),需要更換探頭,此時(shí)應(yīng)按以下順序操作:

(1). 按上述順序先拆下傳感器檢測(cè)放大器;

(2). 用Ｍ4六角匙拆下內(nèi)六角螺栓11;

(3). 取出壓緊螺塞7,鋼墊圈8及橡膠密封墊圈9;

(4). 用Ｍ6六角匙拆下內(nèi)六角螺栓12,讓支承桿與流通本體分離開;

(5). 用Ｍ5六角匙拆下內(nèi)六角螺栓17,然后取出檢測(cè)探頭;

(6). 重新安裝時(shí),按上述步驟的逆順序進(jìn)行。同時(shí)請(qǐng)注意以下幾點(diǎn):

a．探頭密封墊要更換新的。

b．探頭上的定位銷和流通本體上的定位銷孔對(duì)準(zhǔn)。

c．探頭的緊固螺栓要均勻地固緊,探頭尾部與旋渦發(fā)生體(三角柱)后部要同在一條軸線上。

d．裝配后，確認(rèn)一下探頭與流通本體密封面無泄漏現(xiàn)象，(可用試壓泵試壓,試驗(yàn)壓力按額定壓力的1.5倍考慮)。

八、維護(hù)及故障排除

1. 流量傳感器的正常使用,要求被測(cè)介質(zhì)為單相流體。液體中允許有少量的氣泡或固體顆粒,氣體中允許有少量的液霧或粉塵。飽和蒸汽的干度不低于85％。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)含雜質(zhì)較多時(shí),如欲獲得較好的測(cè)量精度,應(yīng)考慮定期清洗傳感器的流通部份。

2. 流量顯示不正常的原因可能由于傳感器故障,也可能來自顯示儀表,計(jì)算機(jī)的故障,還有可能來自管道和工況方面的原因,因此分析故障原因時(shí)應(yīng)對(duì)系統(tǒng)作全面的考察。

3. 直接與傳感器有關(guān)的故障現(xiàn)象及處理方法可參考表