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靶式流量计构造及故障处理

供稿:中国工控网 2016/10/28 13:21:21

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  • 关键词: 靶式流量计
  • 摘要:在众多的工业流量检测仪表中有一种流量表叫靶式流量计。所谓的靶式是一种形象的叫法,因为这种仪表的检测部件是一个如同打靶中的靶子一样——靶片,因此这种流量计被叫做靶式流量计。

  前言

  在众多的工业流量检测仪表中有一种流量表叫靶式流量计。所谓的靶式是一种形象的叫法,因为这种仪表的检测部件是一个如同打靶中的靶子一样——靶片,因此这种流量计被叫做靶式流量计。

  测量原理

  靶式流量计虽然是一种速度式检测仪表,但其测量原理仍然依理想流体特性的伯努力方程进行检测的。流量计中心的靶片即是一个力学检测部件也是一个节流元件,流经流量计之前的介质受中心靶片的节流作用,发生动能与静压能的相互转换。

  理想流体的伯努力方程:P1+ρ1V12/2=P2+ρ2V22/2

  靶式流量计前后介质的密度不发生变化,因此ρ1=ρ2 =ρ,流体流经靶片时,受实心金属片的阻挡,流体流速变为零,即V2=0

  由此上述的伯努力方程就变成了:P2 - P1=ρV12/2

  P1 、P2 是靶片前后管线内介质的静压力; V1 是靶片前介质的平均流动速度。

  金属靶片所受的的冲击力F为靶片前后流体的压力差ΔP 与靶片面积S的乘积。

  即:F=ΔPS=(P2-P1)S=ρSV12/2

  管线中流体的瞬时体积流量 : Q=V S1

  其中:S是靶片的面积d2π/4 ,d是靶片的直径;

  S1为流量计内壁与靶片之间的流通面积(D2-d2)π/4 ,D为流量计的通径。

  由此可见,靶片受力与流体的流速的平方成正比,只要检测出靶片所受的冲击力,即可测得流体的流量。

  上述公式的推导是基于理想流体忽略摩擦粘滞力等影响而得出的,实际工程应用中要考虑能量传递过程中的损失,因此引入一个流量修正系数K ,其数值大小通过仪表制造厂家实验所得。

  经过化简,得出实用性的靶式流量计的流量公式为:

  Q=KD(1/β-β)(π/2)1/2(F/ρ)1/2=K1(F/ρ)1/2

  其中:β=d/D,是靶式流量计通径与靶片直径之比。

  K1=KD(1/β-β)(π/2)1/2在流量计一定的情况下是一个具体的常数。

  由此可见靶式流量计所测流量与靶片受力的开平方成正比,只要检测出靶片的受力即可得知流经流量计介质的流量。

  靶式流量计的构造

  由靶式流量计的测量原理可知,靶式流量计主要分为两部分:力的产生传递部分,力的放大转换部分及附属保护部分。

  一、力的产生传递

  力的产生传递部分主要包括:靶片和主杠杆两部分。靶片为力的发生器,主杠杆为力的传递。具体的结构为一实心的薄靶片的中心通过一螺母固定于一金属杆的末端,金属杆的另一延伸到流量计的上部。固定靶片的中心与流量计的中心重合,流体通过靶片与流量计内壁之间的空隙流过。

  下图为流量计的靶片和主杠杆部分

  二、力的放大转换

  力的放大转换部分主要包括:力矩转换放大部分和信号传递的检测转换部分。

  力矩放大部分通过主副杠杆力矩把微小的的靶片受力转换为较大的矢量物理位移,是一个物理量的转换放大器。

  信号转换部分是通过具体的仪表信号检测处理部件把纯粹的物理形变转换为气动信号或电信号,经过进一步的转换放大输出一个准确的能够远传的较大功率信号。

  根据放大转换部分的不同,靶式流量计分为气动靶式流量计和电动靶式流量计(智能电靶)。

  气动靶式流量计

  气动靶式流量计的转换部分是依靠精密的气动仪表部件把微弱的物理矢量位移转换放大为标准的气动信号20—100KPa,是上世纪八九十年代标准的气动仪表特征,随着科技的发展已经逐渐被电动乃至更先进的智能电动靶式流量计所替代。

  气动靶式流量计虽然技术落后,但由于其信号的转换传递部分为纯机械机构,对于温度的影响较少,防爆性能优越,特别适合高温高爆场所,因此在现在的一些生产工艺中还有应用。

  由于现在的控制系统的信号传送都为电信号,因此现场使用的气动靶式流量计还需要一个转换仪表,把标准的气动信号20—100KPa转换为标准的电流信号4—20mA,在远传到控制室中的控制系统中,这样的转换仪表,普遍选用微压压力变送器。

  下图为气动靶式流量计及配套的压力变送器

  气动靶式流量计气动转换部分主要包括:矢量放大器、喷嘴挡板机构和气动放大器三部分。

  矢量放大器是气动靶式流量计力矩转换部分,通过主副杠杆的力矩转换作用于矢量放大器,把靶片上微小的冲击力转换为较大的力矩位移,带动喷嘴挡板机构中的挡板动作。挡板的移动造成流过喷嘴气体流量的变化,而引发喷嘴背压的变化。喷嘴挡板机构背压的变化被气体放大器放大后输出一个标准的20—1000KPa大功率的气动信号,由此气动靶式流量计实现了流量的检测。

  下图为气动靶式流量计力矩转换和信号处理部分

  电动靶式流量计

  电动靶式流量计是通过精密的电子电路把微弱的物理位移转换放大为较大功率的标准电信号4—20mA,,其核心部分是一个精密应力传感器,其一端设置有一个金属圆环安装在靶式流量计主副杠杆机构副杠杆的末端,靶片的受力经过杠杆机构放大后形成一个较大的应力位移作用到应力传感器中,传感器在应力的作用下产生成正比的电压变化流量计的精密电路对电压信号进行处理放大后输出一个标准的电流信号4—20mA。

  电动靶式流量计由于使用了高精度的电子电路检测元件,其精度和反应时间都比气动靶式流量计流量计有很大进步,同时由于输出直接为能够远传的标准电流信号比气动靶式流量计节省了一块转换仪表,其总体性能远远高于气动靶式流量计,现已成为工业应用中的主流。

  电动靶式流量计的电子电路器件对温度敏感,高温及较大的温差变化会对电子器件稳定的运行产生影响,因此被测介质高温时其使用性能变差。

  下图为现场安装的靶式流量计及面板显示

  三、附属保护部分

  为减少被测介质的温度对靶式流量计检测转换部分的影响,靶式流量计普遍在外表壳上设置有散热片和加强护套。其护套预留接口可以通入冷水或蒸汽进行降温或伴热。若被测介质的温度较高,经过表体的散热片后温度仍然影响了靶式流量计的检测转换部分,可以采用通入冷水强制散热的方式来降低温度。如果被测介质为粘稠易冷凝的介质,为防止冬季气温低时介质在靶式流量计散热片内部的主杠杆传递处凝结,可通过散热片外接口通入蒸汽进行伴热防凝。靶式流量计这种辅助功能的设置,在实际使用中常常被忽视,而造成众多的仪表故障发生,缩短流量计的寿命,希望引起仪表使用人员的重视。

  靶式流量计的安装

  由于靶式流量计是基于理想流体的伯努力原理而进行测量的,因此靶式流量计的安装使用要尽可能的满足理想流体的特征,为保证流体流经流量计时为稳定的恒定流,工程实施中普遍使用直管段的方法来实现。

  靶式流量计的测量原理决定了靶式流量计的安装方向要正确,一定要保证靶片正面处于迎流方向,在对靶式流量计进行安装前一定要认真确认,工艺流体方向是否与流量计方向一致,否则极易造成流量计的杠杆受反向力变形损坏而无法维修。

  靶式流量计的投用和切出

  靶式流量计是一种在线检测仪表,仪表在长期的使用中会出现这样那样的问题,甚至出现故障需要维修,因此需要对流量计进行切出和投用工作。

  靶式流量计前后方要设置手阀进行切出投用工作,流量计切出后一定要开启排污阀进行排污泄压同时确认流量计前后阀门是否存在内漏状况,防止盲目拆卸引发危险事故。

  靶式流量计的投用工作要小心谨慎,因为靶式流量计的靶片受力是流量计介质前后的压差,属于一个较小的压力范围,而流量计安装的管道中流体的静压力常常很大,远远大于流量计正常使用中靶片受力,因此在流量计投用时一定要小心,防止巨大的流体压力冲击造成靶片受力过大导致杠杆机构变形报废。

  靶式流量计工艺三阀组分布如图所示:

  靶式流量计投用顺序,关闭排污泄压阀,轻微开启流量计前方手阀几丝,确认介质缓慢充满流量计管线后,检查各连接密封是否存在泄露,待流量计温度上升接近平稳后,在缓慢开启流量计后方手阀,最后全部投用,关闭流量计副线阀门。

  靶式流量计的调校

  零点调校

  靶式流量计零点校准普遍采用现场校准法。如果正常使用的靶式流量计怀疑零点不准或新安装的流量计进行投用,需要对流量计的零点进行确认和调校。

  正常使用的流量计,切出流量计前后手阀投用副线运行,观察流量计的显示是否变为零。为防止流量计切出过程中流量计不满管,切出过程应先关闭流量计后方阀门,在关闭前方阀门。

  新装流量计零点确认,先轻微开启流量计前方阀门,让流量计充满流体充分进行热交换温度恒定后,查看流量计的零点是否准确,然后在投用流量计后方阀门。

  若流量计的零点不为零,需要对流量计进行零点校准,具体的办法通过零点调整旋钮或按钮进行操作,气动靶式流量计有零点调整旋钮,电动靶式流量计有零点调整旋钮或窗口操作面板。

  靶式流量计零点、满度校准旋钮位置如图:

  量程校准

  靶式流量计的测量原理看,流量与受力的开平方成正比。因此流量计的校准应该按照流量计最大流量时的受力进行校准。最普遍的校准方法就是挂重法校准。

  挂重法校准是使用标准砝码模拟流量计靶片受力,校准流量计输出的信号。校准过程要拆卸流量计离线校准,先把拆卸的流量计清洗干净,然后对照流量计使用的最大流量及介质的密度,靶片大小、流量计通径、流量计的流量系数和流量公式进行准确的计算,换算出最大流量对应的靶片受力,然后使用标准砝码进行挂重校准(注意校准时靶片的重量也要计算在内),调整靶式流量计的满度旋钮使其输出为最大信号。

  量程校准完后要采用多点方法进行线性度确认,一般采用25%、50%、75%三点的挂重法进行查看,如果线性度超出允许范围则需更换流量计的核心应力传感器,气动靶式流量计可通过矢量放大器的调整旋钮进行修订。

  以上的满度校准方法适用于气动和电动靶式流量计,因此使用靶式流量计的单位要配备标准砝码箱。

  靶式流量计故障及排除

  靶式流量计在正常使用中易发生的故障主要为零点不准、突然失灵和线性度不好。

  一、零点不准

  零点不准的主要原因是由于靶式流量计的转换部分受介质温度及周围环境温度的影响其器件的静态工作点发生变化产生温飘,造成流量计零点偏移。处理方法就是上述的零点调校。

  二、突然失灵

  靶式流量计使用中流量突然变化到一点不在变化或只有轻微的变化,即流量计失灵。主要原因是流量计的靶片脱落所致或有异物卡住。

  处理方法切出流量计拆卸查看。

  靶片脱落原因:靶片的固定螺丝在长期使用中受介质腐蚀磨损间隙变大或松动脱落,而使靶片从主杠杆中脱落致使靶式流量计失灵。为防止靶片脱落的发生,安装之前普遍采用用电焊把固定螺丝焊死到主杠杆的手段。

  在流量计安装之前,为防止靶片在运行中脱落,最好用电焊把靶片的固定螺丝焊死,其螺丝安装位置如图所示:

  异物卡住主要是介质中含有杂质,流经流通面积突然减小的靶片处被堵档甚至卡死在流量计内壁与靶片之间。这种现象在装置开车及长时间使用中易发生。

  三、线性度不好

  线性度不好主要原因是主杠杆变形或核心应力转换器故障,基本无法通过简单的维修排除,只能更换部件或新表。

  综述

  靶式流量计是一种结构简单的在线检测仪表,虽然测量原理简单但调校比较麻烦,特别是流量计满度的校准,需要拆卸采用砝码挂重方法,如果在砝码计算过程中数值出现偏差,那么校准的精确度会大大降低,因此其工业应用中精度较差,只作为过程检测控制使用。

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