蒸汽流量計在（zài）工程應（yīng）用中要應對一係列（liè）問題及（jí）相關（guān）解決方法

蒸（zhēng）汽流量計是一種在流（liú）量測量領域較常見的儀表，相比較於其他流量計，它有著無可比擬的優點，其產品優點主要表現為以下幾（jǐ）個（gè）方麵：1）蒸汽流量計無可動部件，測量元（yuán）件結構簡單，性能（néng）可靠（kào），使用壽命長。2）蒸汽流量計（jì）測量範圍寬。量程比一般能達到1：10。3）蒸汽流（liú）量計的體積流（liú）量（liàng）不受被測流體的溫度、壓力、密度或粘度等熱工參數（shù）的影響。一般（bān）不需單（dān）獨標定。它可以測量液體、氣體或蒸汽的（de）流量（liàng）。4）它造成的壓力損失小。5）準確度較高，重複性為0.5％，且維（wéi）護量（liàng）小。但蒸（zhēng）汽流量（liàng）計在工業（yè）應用中並不十分普遍（biàn）,顯然,並不是由於它的技術水平還沒有達（dá）到令人滿意的程度,而是由於（yú）用戶（hù）在選擇和應用蒸汽流量計時缺（quē）乏應有（yǒu）的應用（yòng）經驗,在設（shè）計、選型、安裝時考慮問題過於簡單（dān）化了,正是（shì）基於以上理（lǐ）由,本文著重討論蒸汽流量計工業應用中應注意的問題及對策，為正確使用蒸汽（qì）流（liú）量（liàng）計提供了科學依（yī）據。
1、蒸汽流量計抗管道振動和流體振動問題
振動問題是（shì）衡量一台蒸汽（qì）流量計工業應用好壞的一個重要指標。目前（qián）,很多工業用戶之所以對蒸汽流量（liàng）計的應用失去信心,在很大程度上是由於振動因素影響。工業中的振動是（shì）普遍存在的,目前（qián）較先進的蒸汽流量計都有一定的抗振動能力,對（duì）於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（jǐ）赫到幾千赫,蒸汽（qì）流量計的漩渦頻率正好落在這個（gè）範（fàn）圍之內,
本文以電容式、壓（yā）電式、超聲波（bō）式蒸汽流量計為例來說（shuō）明其抗振性問題（tí）。
1.1電容式蒸汽流量（liàng）計抗振動問題
電容式蒸汽流（liú）量計以E + H公司生產的Prowirl70為代表（biǎo）,它采用差動開關電容(DSC)傳感器,用來檢測漩渦壓力脈衝,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（lì）同時作用在振動（dòng）體及電（diàn）*上（shàng）,使振動體都在同方向產生撓曲變形,由（yóu）於設計時保證了振動（dòng）體（tǐ）與（yǔ）電*幾何結構與尺寸相匹配,使（shǐ）它們的變形（xíng）量一致,差動（dòng）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（xiàng）(與漩渦升力方向一致（zhì）)振動能力仍然很弱,因為在某一時刻,往複振動（dòng）隻在一個方向（xiàng）上對振動（dòng）套筒發生應力,如果振動明顯,必然在（zài）輸（shū）出（chū）信號上（shàng）迭（dié）加振動分量,使輸出信號偏離真實值。電容式蒸汽流量（liàng）計在頻率範（fàn）圍為1～500Hz的縱向以（yǐ）及與發生體軸（zhóu）線（xiàn）相平行的方向的任（rèn）何（hé）振動以及高達1g振動加速度衝擊基（jī）本能夠消除（chú）,所以本流量計具（jù）有二維方向的抗振動補償（cháng）功能。
1.2壓電應（yīng）力式蒸汽流量計抗振動問題
壓電應力式蒸汽流量（liàng）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（jì）
YOKOGAWA的YF100E采用兩片圓（yuán）形壓電元件,它們上、下封裝在漩渦（wō）發（fā）生（shēng）體內（nèi）部(不與流體（tǐ）直（zhí）接接（jiē）觸),以此來感受漩渦升力和（hé）振動（dòng）應力。每片壓電元（yuán）件沿中性麵分割成兩個對稱的半（bàn）圓,分別處於中性麵的兩邊,且*化方向相反。兩片（piàn）壓電元件采用並聯方（fāng）式,每片壓電元件的（de）兩半片組（zǔ）成一個電*,兩電*從上下兩片*性相反（fǎn）的電荷而引出。三個不同方（fāng）向的振動力產生的電荷信號*性如圖2所示:
a振動方向（xiàng）與漩渦升力方向相同。此方向上的振動噪聲不能完（wán）全消除。
b振動（dòng）方向與流體方向相同。此（cǐ）方向上的振動不能產生噪聲（shēng）信號。
c振動方向與發生體軸向平行。此方向上的振動（dòng）不能產生噪聲信號。
由此（cǐ）可見,YF100E同樣能抗二維振動(流動（dòng）方向上及與（yǔ）發生體軸向平行的方向（xiàng）上),但抗橫向（xiàng）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蒸汽流量計（jì）采用對稱差動傳感器（qì）設計消除振動影響,即用（yòng）四隻壓電敏感元件構成渦街（jiē）傳（chuán）感器,以安裝法蘭為中心,兩對反並聯壓電元件封裝在上、下對稱部位,每對壓電元件又以中性麵為中心,分置中性麵兩側,如圖3,當振動作用在（zài）X方向或Z方向（xiàng）時,四隻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（zuò）用在Y方向上時,隻有（yǒu）中性麵下兩片壓（yā）電晶（jīng）體（tǐ）產生差動電荷信號,如（rú）圖5,由於兩片壓電片為並聯（lián）方式,所（suǒ）以輸出信號加倍。
當振（zhèn）動信號作用（yòng）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（néng）克服。
由此可見,此傳（chuán）感器結構具有抗X方向, Z方向（xiàng）二維振動能力,對Y方向的（de）振動（dòng）幹擾能力很弱。Rosemount 8800A智（zhì）能（néng）蒸汽流量計采用質量平衡結構從機械上消除管道振動(或流體（tǐ）振動)影響,與YF100E相似,它隻能克服流動方（fāng）向及與漩（xuán）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（chè）底克服。
總之,壓電式蒸汽（qì）流量計具有（yǒu）二維方向(順（shùn）流向和漩渦發生體（tǐ）相平行方向)抗振動能力,無論如何,它抗升力（lì）方向上的振動仍然是很（hěn）弱的。
1.3超聲波蒸汽流量計——真正的抗三維振動蒸汽流量計
超（chāo）聲波蒸汽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（lì）用超聲波作為檢測元件（jiàn）的蒸汽流量計是將超聲波發射源和超（chāo）聲（shēng）波接收器按一定位置安裝在殼體外（wài）,如圖6。當漩渦通過超聲波（bō）線束時,接收器接收到的（de）超聲波線束速度發生變化,檢（jiǎn）測速度變化的頻率（lǜ）作為漩渦的頻率信號,通過電子（zǐ）線路處理輸出能夠遠傳的信號。由於避開了檢測（cè）漩渦（wō）升力的方法,故它有別於壓電應力式、電容式渦街檢測方法,即使配管振動和流（liú）體（tǐ）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（dé）本質上的（de）高抗（kàng）振性,而（ér）其測量精度和結構尺寸等指標也與其它蒸汽流量計相（xiàng）似,本流量計具有（yǒu）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、超聲波式蒸汽（qì）流量計都有較好的抗（kàng）振動能力,是目前市場上比較的品種。電容式和壓電應（yīng）力式隻能抗二維振（zhèn）動,而超聲波（bō）具有抗三維振動能（néng）力。因此,在一般（bān）場合,小於1g振動加（jiā）速度,振（zhèn）動頻率小於500HZ、振幅<2.1mm(用手摸有強烈的振感,有（yǒu）握不住的感覺),三種流量計都能滿（mǎn）足要求,但在（zài）振動特別強烈的場合,或有（yǒu）升力（lì）方向振動的場合,選用超聲波蒸（zhēng）汽流量計（jì）則是比較合適的。
必須特別（bié）指出,由於振動加速度是振幅和振動頻率的函數,管道振幅（fú）小,振動加速度小;振動頻率小,加速度亦小,反之亦然。管道支撐隻能減小振幅,但不能減少振動頻率。因此,在選擇流量（liàng）計安（ān）裝位置時（shí）,振動頻率是（shì）一個不可忽視的因素。好（hǎo）在一般工（gōng）業頻率都比較低(從幾赫到幾千赫),隻要振幅不是太大,以上幾種型（xíng）式的蒸汽流量計均可以滿（mǎn）足要求。同一種尺寸（cùn）的蒸汽流量計,用在液體上的（de）抗振動能力比用在氣體上（shàng）強,這是由於氣（qì）體密度（dù）小,所產生漩渦升力較小的（de）緣故（gù）。同樣,用在大流量上比用（yòng）在小流量計抗振性強,因為大（dà）流量產生的漩渦比小流量更強烈。因此,根據介質（zhì）密度和流量選擇蒸汽流量計時要加以注意。
必須特別注意（yì）抗二維振動（dòng）的蒸汽流量計的安裝,如果水平安裝的蒸汽流量計其振動幹擾方向（xiàng）是與漩渦發生體相平行的方向,(此方向的振動是可以（yǐ）消除的),但是,當將蒸汽流量計（jì）轉過90度,則與（yǔ）漩渦發生體相平行（háng）的方向上的振動對蒸汽流量計來說（shuō）則變為升力方向的振動了,會產生明顯的振動幹擾信號,這是不允許的（de）。很多蒸汽流量計（jì）廠家說明書聲稱其流量（liàng）計可以任（rèn）意角（jiǎo）度安裝,恐（kǒng）怕此種說法（fǎ）欠妥。除非係統沒有任何振動或振動幹擾很（hěn）弱,在這種情況下是（shì）可以任（rèn）意角度安裝的,否則,應避免（miǎn）振動方向（xiàng）與漩渦升力方向相一致的安裝。
2、蒸汽流量計的選用問題
蒸汽流量計（jì）的選用要結合（hé）工（gōng）藝介質的特點、流量計的性能、經濟性、安裝及環境五個方麵來（lái）考慮。一般專業技術人員在選用蒸汽流量計時大都考慮了（le）這五個方麵的因素,在此不再（zài）贅述。需要特別指出的（de）是,對於電容式、壓電應力式和超聲波式蒸汽流量計在選擇時還要注意以下（xià）問題:
2.1對於介質中含有粉塵和固體顆粒或懸浮物的流體不易選擇電（diàn）容式蒸汽流量計。因為在漩渦（wō）發生體兩側有兩個導壓小孔,容易堵塞。例如,本體法生產（chǎn）聚丙烯（xī）,其循環丙（bǐng）烯中含有聚丙烯粉末（mò）,選用電容（róng）式蒸汽流量計則引起了（le）導壓孔堵塞,使信號輸出為0。凡是帶有導壓（yā）小孔的其它蒸（zhēng）汽（qì）流量計具有相（xiàng）似的情況,如Eestech公司生產的熱(磁)敏（mǐn）式蒸汽流量計。
2.2蒸汽流量計的選擇不僅要考（kǎo）慮被測介（jiè）質的溫度,還要考慮檢修吹掃管線時吹掃介質的（de）溫度,這一點常常容（róng）易忽視。蒸汽（qì）流（liú）量計的被測介質溫度可能（néng）是常溫,但是（shì）在檢修時需要用蒸汽吹掃管線,蒸汽的溫度在150℃以上,如（rú）果選型時隻考慮到介質的溫度而選擇適用（yòng）溫度範圍低的蒸汽流量計,在檢修吹掃管（guǎn）線時,就有可能損壞敏感元件。
2.3超聲波蒸汽流量計雖然抗振性（xìng）強,但適用溫度範圍不如電容式和壓電（diàn）應力式寬,一般不超過200℃,如果被測溫度超出此範圍,則可（kě）能損壞超聲波探頭。另一方麵,超聲波流量計不易用在含（hán）有過多氣泡的液體（tǐ）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（néng）造（zào）成測量上的困難（nán）甚至不可能（néng）測量。液體中含有異物會（huì）對超聲（shēng）波起到（dào）慢反射或吸收作用（yòng）,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（bú）易選擇（zé）超聲（shēng）波（bō）蒸汽流量計。因為超聲波蒸汽（qì）流量計（jì）對小流量敏感（gǎn）度很高（gāo）,在這種（zhǒng）場合使用,會使輸出信號不穩（wěn）定而失真。
2.5在液體中混有大量氣泡的場合（hé）,不易選用各種蒸汽流量計。
3、蒸汽流量計的（de）安（ān）裝問題
蒸汽流量計的安裝要考慮流量計的定位、液體流向、上遊及下遊直管段長度、配管直（zhí）徑、環（huán）境影響(溫度、電磁幅射、腐蝕等)、振動情況（kuàng）、閥門的安裝、管道支撐（chēng）等因素。一般要求流量（liàng）計口徑和配管直徑一致且同心,上遊直管段長度通常取決於上遊阻（zǔ）力件(縮管、擴管、彎頭、閥門)形式,一般上遊直管段長度要保證（zhèng）20D,下遊（yóu）為5D。當上（shàng）遊阻力（lì）件為閘閥或截止閥（fá）時,必（bì）須保證上遊直管的長度（dù）不少於（yú）40D。流量計的安裝地點要避開高溫（wēn）、腐蝕（shí）、電磁幅射、振源,當振動強烈（liè）時還應考（kǎo）慮（lǜ）加支撐以減少振（zhèn）幅的影響（xiǎng）。在把蒸汽流量計（jì）用於控製回路測量時,推薦把流量計（jì）裝在調節閥的下遊測。
通常為（wéi）了避免（miǎn）振動或不可預知的原因,在流量計上遊側安（ān）裝節流圈、膨脹段或儲罐,以部分吸收流體的振動和衝擊,這在控（kòng）製回（huí）路中尤為重要。另外,當預知某一方向（xiàng）振動後,應避免將流量計安裝在漩渦升力方向與振動方向一致的（de）地方,這點特別引起注意!
超聲波蒸汽流量計處於水（shuǐ）平管道安裝時,應使超（chāo）聲波探頭（tóu）處在水平管道兩側的中間位置(即漩渦發生體處於上下垂直位置)。這（zhè）樣做的理由在於,氣泡易於集聚在管道的上方,大的異物則沿管道底部流動,它（tā）們都將妨礙超聲波穿過。這（zhè）種安裝方式（shì）,有效避免了以上現象的出現,給測（cè）量帶來好處。
4、適用介質問題
一般蒸汽流量計可以測量氣體、液體和蒸汽介質流量（liàng）,但由於各種介質特性千差萬別,傳感器結構形式各異,其適應性（xìng）也不同。壓電應力式和電容式蒸（zhēng）汽流量計應用範圍較廣,但在測量低密度(如H2)和低流速氣（qì）體時,由於（yú）受到（dào）漩渦能量的（de）限製,發生漩渦不強烈,信號（hào）比較低;電容式（shì）蒸汽流（liú）量計（jì）由於存在兩個導壓小孔,不易測量髒物介質流;超聲波蒸汽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（gǎn）;熱敏式蒸（zhēng）汽流量計靈敏（mǐn）度高,適宜於低溫(<120℃)低密度氣體測量,但因熱敏電阻用（yòng）玻璃封裝、機械強度低。另外,當檢測（cè）元件被流（liú）體（tǐ）汙垢,檢測靈敏度降低,甚（shèn）至（zhì）無信號輸出,所以要針對不（bú）同介質的特點（diǎn）,選擇合適的流量計。
5、高（gāo）溫介質測量問題
很明顯,超聲（shēng）波蒸汽流量（liàng）計由超聲探頭不能（néng）耐高溫,因此（cǐ）,它不（bú）能用於高溫介質測（cè）量（liàng）,它目前的測溫上限達200℃(YOKOGAWA UYF)。壓電式蒸汽流量（liàng）計的（de）測溫上（shàng）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（chū）信號（hào）變小,低頻特性惡化,抗幹擾能力大為降低。這是由於壓電晶體（tǐ）多為鋯鈦酚鉛係列壓電陶瓷(PZT),它的居裏點(失去壓電效應的溫度)較低,隻有300℃。另外壓電陶瓷除具有壓電性能外,還具（jù）有熱釋（shì）電性(即溫度變化也將引起電荷（hé）變（biàn）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（róng）式蒸汽（qì）流量計具有較好的（de）高溫測量能力,它的（de）測溫上限達400℃。電容（róng）檢（jiǎn）測元（yuán）件有很好的耐高溫性能。
另外,無論（lùn）哪一種蒸汽流量計,當其用於高溫測量時,由於溫度變化使（shǐ）流量計的流通截麵積發生變化,因此,必須對流量係數做修（xiū）正
6、介質溫度、壓（yā）力變化場合應用問題
由於（yú）蒸汽流量計測量的（de）是流過管道流體（tǐ）的體積流量,當流體溫（wēn）度、壓力變化頻繁時,必（bì）然引（yǐn）起密度（dù）發生變化（huà）,因此,必須對測量結果進行修正。這通常（cháng）要（yào）借助於智能（néng）儀表或計算機,內藏（cáng）溫度或壓力（lì）補償公式,壓力測量點和溫度測量點選在流量計下遊2D～7D的地方。
7、管道內徑D與流量計口（kǒu）徑d的匹配問題
保證管道內徑與流量計口徑相同是製造廠家對用戶使用蒸汽流量計的基本要求。但（dàn）實際應用表明,由於國外製造廠家流量計口徑標準（zhǔn）不一,如DIN (德國標準)、JIS (日本標（biāo）準)、ANSI (美國標準),這些（xiē）標準（zhǔn）的管道內徑與我國GB標準管（guǎn）道內徑在同一公稱通徑下存在差（chà）異。另（lìng）外,公稱通徑相同時,由（yóu）於壓力等級（jí）要求不一樣,管子的壁厚也不一樣。如英製（zhì）管SCH40、SCH80兩種管號在同一（yī）公稱通徑下其內徑（jìng）不同。用（yòng）戶在選擇（zé）和安裝蒸汽流（liú）量計時常常忽視管徑匹配問題,因而（ér）,容易引起附加（jiā）誤差（chà）。
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（wù）差。
8、蒸汽流量計（jì）代替孔板差壓流量計問題。
孔板流量（liàng）計在目前流量測量家族中占（zhàn）有重要地位,它是工業生產中使用廣泛的一種流量計（jì）。蒸汽流量計是後起之秀,由於它有許多無可比擬的優（yōu）點,它的出現對孔板流量計產生了強有力的衝擊,但兩種（zhǒng）流量計各有特點,文獻[4]對這兩種流量計（jì）的性能做了詳細評價,在許多場合用蒸汽流量計代替孔板流量計是適用的,但是在一些場合,蒸汽流量計無法取代孔板（bǎn）流量（liàng）計。在一些特殊場合使用孔（kǒng）板比蒸汽流量計要好（hǎo）。在其他大部分場合,完全可（kě）用蒸汽流量計來代（dài）替孔（kǒng）板流量計測量流量。
9、蒸汽（qì）流量（liàng）計日前需要解決的問題
蒸汽流量計在工程應用中所暴（bào）露的某些問題,迫使（shǐ）各生（shēng）產（chǎn）廠家發展更為實用和完美的蒸汽流量計（jì）,這要依賴於新技術、新工藝、新（xīn）材（cái）料（liào）的發（fā）展。
1采用全數字化現場總線(fieldbus)技術。目前（qián）的蒸汽流量計（jì）所采用的HART通訊協議是一種過渡產品,並不代表現場儀表的發展（zhǎn）方向（xiàng）。HART協議（yì）是一種4～20mA模擬信號與數字通（tōng）訊信號兼容的標準,它采用頻移鍵控(FSK)技術,在4～20mA的（de）模擬信號上（shàng）疊加幅度為（wéi）0.5mA的正弦調製波,以頻率為1200HZ和2200HZ的正弦電流信號代（dài）表1和0,通訊信號隻用於（yú）傳（chuán）遞輔（fǔ）助信息和診斷信息。由（yóu）於所疊加的正弦波信號平均值為（wéi）0,所以數（shù）字通訊信號不會幹擾4～20mA模擬信號。采用現場總線（xiàn）技術後,傳遞信號完（wán）全（quán）實現了全數字化,省去了A/D (或D/A)轉換環節,避免了模數（shù）轉換誤（wù）差,精度進一步提高。另一方麵,由（yóu）於內藏CPU,可實（shí）現多種控製算法,從而可實現就（jiù）地（dì）調節,省略了調（diào）節器以及大量電纜。因（yīn）此,帶有現場總線技術的蒸汽流量計,前景不可估量。
2采用數字動態濾波器,**跟蹤渦街信號（hào）頻（pín）率,既使（shǐ）在十分惡劣的應（yīng）用環境中仍（réng）能提供高（gāo）分（fèn）辨率的信號,明顯（xiǎn）優於傳統的低通和高通濾（lǜ）波（bō）器。
3采用先進的傳感器結構,消除任何方向的抗振動幹擾,真（zhēn）正實現（xiàn）抗三維方向的振動流量計。
4敏感元件完全不與（yǔ）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（zài）任何不易提供電源（yuán）的地方（fāng）也能方便使用。
6實現真正的廣義通用性,蒸汽流量計的電路板及敏感元件完全通（tōng）用（yòng）,節（jiē）省備件數量,而且一台（tái）蒸汽（qì）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（liú）量。
7無空洞設計,避免髒物介（jiè）質的堵塞,敏感元件布置（zhì）在管外（wài）,全焊（hàn）接結構表體,從而消（xiāo）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（huà）實現自（zì）動校正。
9無需標定,一個出廠的K係（xì）數可保持長期（qī）穩定。
10溫度範圍（wéi）進一步拓寬,允許測量更多的過程介質。
蒸汽（qì）流量計目前的技術水平已發（fā）展到可在控製回路中較好地應用。但是,由於所處環境、工藝介質及管路係統等複（fù）雜性,真正應用好蒸（zhēng）汽（qì）流量計,還需要廣大用戶在實踐中不斷摸索。可以相信,隨著製造（zào）工藝、新材料（liào）和微處理技術的發展,新一代的蒸汽流量計必將（jiāng）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,蒸汽流（liú）量計必將占（zhàn）有重要的一環。

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