應(yīng)變片靶式流量計(jì)的應(yīng)用
1.1 靶式流量計(jì)的基本工作原理
靶式流量計(jì)是一種阻力式儀表，它是應(yīng)用流體動(dòng)壓原理測(cè)量流量的.在流體經(jīng)過(guò)的管道中，垂直于流動(dòng)方向安裝一圓盤形的鋼片，稱為“靶”。當(dāng)流體流過(guò)時(shí)，流動(dòng)質(zhì)點(diǎn)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(guò)力矩轉(zhuǎn)換的方式測(cè)出靶上的受力，就可以求出流量。
根據(jù)流體力學(xué)分析，流體作用于靶上的力由三部分組成：
(1) 流體對(duì)靶正面的沖擊力，即流體的動(dòng)壓力;
(2) 由于靶對(duì)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(shí)，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(dāng)流量較大時(shí)，摩擦力可忽略不計(jì)，前兩種力起主導(dǎo)作用，這兩種力的方向一致，可視為對(duì)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(guò)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(jì)的實(shí)用公式，即
由上式可知，當(dāng)被測(cè)介質(zhì)密度、管道內(nèi)徑已知，靶式流量計(jì)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(cè)得靶上流體作用力F的大小，便可知道被測(cè)介質(zhì)的流量大小。這就是靶式流量計(jì)的基本測(cè)量原理。
1.2 靶式流量計(jì)的基本結(jié)構(gòu)
靶式流量計(jì)由測(cè)量部分和轉(zhuǎn)換部分組成。無(wú)論是氣動(dòng)靶式流量計(jì)還是電動(dòng)靶式流量計(jì)，它的測(cè)量部分都是相同的，都是由靶、測(cè)量管、主杠桿和軸封膜片組成。測(cè)量部分的作用是將被測(cè)流量轉(zhuǎn)換成作用于主杠桿上的測(cè)量力矩。
靶式流量計(jì)的電動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換部分分為兩種類型：
1.2.1 采用電動(dòng)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(cè)量力矩轉(zhuǎn)換成直流電信號(hào)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(jī)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(dǎo)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(hào)Uab 與靶上所受到的作用力成線性關(guān)系，與被測(cè)介質(zhì)流量成平方關(guān)系。由于R1、R3和R2、R4處于測(cè)量橋路相對(duì)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(jì)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(jì)的特點(diǎn)
2.1 傳統(tǒng)靶式流量計(jì)性能分析
由于傳統(tǒng)靶是通過(guò)杠桿力平衡原理或矢量機(jī)構(gòu)平衡原理來(lái)進(jìn)行流量信號(hào)與輸出信號(hào)的轉(zhuǎn)換處理的，因此在實(shí)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(jì)構(gòu)成矢量機(jī)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(dòng)元件多，靶易磨損變形，不能長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，因此測(cè)量精度低，調(diào)校工作量大。
(2)氣動(dòng)靶式流量計(jì)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(dāng)儀表感受介質(zhì)壓力波動(dòng)、沖擊時(shí)則極易加劇振蕩，影響穩(wěn)定作用。
(3)傳統(tǒng)的電動(dòng)靶式流量計(jì)的電磁反饋系統(tǒng)和信號(hào)檢測(cè)放大器易受外界磁場(chǎng)影響。
(4)投運(yùn)要求和安裝費(fèi)用高，需安裝旁路管道，維護(hù)量大。
(5)不適宜大管徑測(cè)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(jì)在實(shí)際生產(chǎn)中的推廣。
2.2 新型靶式流量計(jì)的特點(diǎn)
(1)應(yīng)變片式靶式流量計(jì)其測(cè)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(shí)也可以檢測(cè)多種腐蝕性介質(zhì)。
(2)應(yīng)變片式靶式流量計(jì)測(cè)量精度較高、長(zhǎng)期穩(wěn)定性及對(duì)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(dòng)對(duì)靶式流量計(jì)的檢測(cè)不會(huì)有影響。
(3)壓力損失小于渦街流量計(jì)，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(cè)各種氣、液、蒸汽，也可以檢測(cè)脈動(dòng)流和高粘度液體。
(5)具有安裝簡(jiǎn)便、無(wú)需維護(hù)、響應(yīng)快、重復(fù)性好的特點(diǎn)，可現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行設(shè)定;也可通過(guò)靶式流量計(jì)傳統(tǒng)的掛重法進(jìn)行校正，還可以通過(guò)更換靶盤來(lái)改變流量計(jì)的測(cè)量范圍。靈活性好，使用壽命長(zhǎng)。
3 靶式流量計(jì)在生產(chǎn)中的應(yīng)用
3.1 靶式流量計(jì)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(jì)前后應(yīng)加裝截止閥、旁路閥及放空閥，以便檢修儀表時(shí)不影響正常生產(chǎn)。
(3)流量計(jì)可水平和垂直安裝。但當(dāng)流體中含有顆粒狀物質(zhì)時(shí)，必須水平安裝。垂直安裝時(shí)，流體的流動(dòng)方向應(yīng)由下而上。
(4)管道式靶式流量計(jì)有嚴(yán)格的直管段要求，一般表前至少有10D直管段,后面5D 長(zhǎng)的直管段。稍長(zhǎng)將更為理想。
(5)流量計(jì)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(jì)的常見故障及處理方法
3.2.1 故障現(xiàn)象：流量很小時(shí)儀表顯示較大。
石化公司兩酸裝置酸性氣流量測(cè)量?jī)x表為靶式流量計(jì)。使用一年后，與差壓流量計(jì)比較，當(dāng)流量較小時(shí)，儀表卻指示較大。現(xiàn)場(chǎng)拆下來(lái)用砝碼掛重法校驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)流量計(jì)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(guò)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(jì)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(biāo)定時(shí)的工況存在差異，從而造成靶式流量計(jì)的測(cè)量誤差。
分析及處理：按照安裝要求，重新安裝和測(cè)試。用比較法在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)修正靶式流量計(jì)的誤差。
3.2.3 故障現(xiàn)象：流量指示很不穩(wěn)定，與實(shí)際測(cè)量值不符。
分析及處理：將靶式流量計(jì)從安裝位置拆卸下來(lái)后，發(fā)現(xiàn)測(cè)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(hào)出現(xiàn)偏差。經(jīng)過(guò)對(duì)工藝介質(zhì)及靶式流量計(jì)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(guò)半年時(shí)間的使用，從記錄資料來(lái)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(jì)斷電的情況下，將四根不同顏色的信號(hào)線與變送器斷開，逐一測(cè)量惠斯通電橋的四根信號(hào)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(cè)的阻值遠(yuǎn)大于該數(shù)值(幾兆歐姆以上)，則可以判斷流量計(jì)傳感器內(nèi)部出現(xiàn)了斷路。同時(shí)，需要檢查信號(hào)線與外殼之間是否有漏電，以確認(rèn)儀表絕緣性能良好。如果傳感器內(nèi)部出現(xiàn)斷路，需要對(duì)傳感器及時(shí)更換。如果漏電，則信號(hào)線內(nèi)部可能有水分滲入，需要將防護(hù)部件拆卸，風(fēng)干儀表，再重新作絕緣防護(hù)，并保持導(dǎo)線連接點(diǎn)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(tái)靶式流量計(jì)，儀表投用三個(gè)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(jì)，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(guò)歷史數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)該表選型不當(dāng)。管道的實(shí)際流量應(yīng)為7000kg/h,而儀表的測(cè)量上限為6000kg/h，致使儀表長(zhǎng)期超負(fù)荷工作,容易造成杠桿變形。另一方面，由于儀表前后壓差過(guò)大，靶片長(zhǎng)期處于該狀態(tài)下，測(cè)量元件也容易勞損變形。我們對(duì)工藝參數(shù)重新分析計(jì)算后，聯(lián)系廠家對(duì)靶片及杠桿進(jìn)行替換，使儀表測(cè)量范圍符合工藝要求。同時(shí)，工藝調(diào)整操作，降低管道介質(zhì)的壓力波動(dòng)。
3.2.6 故障現(xiàn)象：安裝不當(dāng)，造成指示故障。
分析及處理：流量計(jì)管道安裝時(shí)，密封面損壞或碰撞造成靶板及測(cè)量桿變形，會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量精度。分析及處理：在安裝時(shí)，務(wù)必要小心謹(jǐn)慎。對(duì)于插入式，應(yīng)保證配對(duì)法蘭短管的選擇合適以及靶片插入到準(zhǔn)確位置。
4 結(jié)束語(yǔ)
壓敏應(yīng)變片式靶式流量計(jì)具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、阻力小、泄漏點(diǎn)少、測(cè)量精確度和靈敏度高、維護(hù)簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，可適用于各種氣體、液體及蒸汽等介質(zhì)的測(cè)量，及解決高粘度，低雷諾數(shù)流體的流量測(cè)量。隨著檢測(cè)技術(shù)和制造工藝的進(jìn)步和發(fā)展，壓敏應(yīng)變片式靶式流量計(jì)在工業(yè)生產(chǎn)流體檢測(cè)中將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。