氦气流量计 气体流量计

一、用途与特点

氦气流量计是一种采用压电晶体作为检测元件的新型应力检测式氦气流量计。该仪表具有量程比宽、精度高、压力损失小、介质通用性好、有与流量成正比的脉冲信号输出、便于和计算机联用等优点。由于传感器采用的检测探头与旋涡发生体分开安装：而且耐高温的压电晶体不与介质接触，因此,仪表具有结构简单、通用性好和稳定性高的特点。

氦气流量计可用于各种气体、液体和蒸汽的流量检测及计量。

二、工作原理

氦气流量计的基本原理是卡门涡街原理,即“涡街旋涡分离频率与流速成正比”。

变送器流通本体直径与仪表的公称口径基本相同。如图一所示,流通本体内插入有一个近似为等腰三角形的柱体,柱体的轴线与被测介质流动方向垂直,底面迎向流体。

当被测介质流过柱体时,在柱体两侧交替产生旋涡,旋涡不断产生和分离,在柱体下游便形成了交错排列的两列旋涡即“涡街”。理论分析和实验已证明,旋涡分离的频率与柱侧介质流速成正比。

式中:ｆ── 柱体侧旋涡分离的频率(Ｈｚ);

Ｖ── 柱侧流速(ｍ/ｓ);

ｄ── 柱体迎流面宽度(ｍ);

Ｓr── 斯特劳哈尔数。是一个取决于柱体断面形状而与流体性质和流速大小基本无关的常数, Ｓr:0.17～0.18。

氦气流量计的设计柱宽ｄ与流通管直径Ｄ具有固定的比值,因此,流经管内的平均流速Ｖ与柱侧流速Ｖ有固定的比值:

由于上式中,ｄ和Ｄ都是已知的结构尺寸,而Ｓr是常数,因此测得旋涡分离频率ｆ,便测得了管内平均流速,从而测得流量Ｑ:

Ｑ＝3600Ｆ·Ｖ

式中:

Ｆ──传感器流通本体的流通面积(ｍ2);

Ｖ──传感器流通本体的平均流速(ｍ/ｓ)。

旋涡交错分离,在柱体两侧及柱体后面的尾流中产生脉动的压力,设在柱体内部(或后面)的检测探头受到这种微小的脉动压力的作用,使埋设在探头内的压电晶体元件受到交变应力而产生交变电荷信号。该信号经放大器上的电荷变换、放大，滤波限幅和触发整形处理后，输出频率与旋涡分离频率相同的电流（或电压）脉冲信号。传感器输出的每一个脉冲将代表一定体积的被测流体。一段时间内的输出总脉冲数,将代表这段时间内流过传感器的流体总体积。

三、主要参数及技术指标

1.使用条件及参数

环境温度：-40～55℃;

相对湿度: 5％～90％;

大气压力: 86～106ｋＰａ;

被测流体是单相流体或可以认为是单相的流体;

流量计上下游有符合表１规定的直管:

2.技术参数

公称通径:25～300ｍｍ； 公称压力:2.5ＭＰａ、4.0ＭＰａ;

测量介质:液体、气体、蒸汽; 精度等级:1.0级；

介质温度:-40～+350℃; 重 复 性:≤0.2％；

线 性 度:≤±1.0％; 本体材质:1Ｃr18Ｎi9Ｔi;

连接方式:法兰卡装式； 负载电阻:负载电阻不超过350Ω。

供电电源:电源电压24Ｖ,ＤＣ;

输出信号:电压脉冲或电流脉冲，低电平4±0.5mA,高电平20±1mA;

流量范围:见表2及其说明Ａ与Ｂ

四. 结构及电路原理

1．传感器的结构

如图二所示传感器由流通本体14,三角柱15,检测探头19,连接支承杆10和检测放大器壳体5与电子线路板6，以及其它配件组成。被测流体从流通本体流过时，检测探头测出旋涡分离信号,检测放大器则将信号放大和变换,输出供二次仪表接收的频率信号。连接杆不仅起连接作用,并且还起到屏蔽及散热作用。

2．传感器的结构尺寸

各种不同口径规格的传感器的结构尺寸见图三和表3

五、接线及安装

1. 接线:

应力式涡街流量传感器输出为电流（两线制）或电压（三线制）脉冲信号，一般配套相应的二次仪表进行流量测量。

(1). 安装传感器的管道及放大器壳体应有良好的接地(接地电阻不大于10Ω)。

(2). 流量传感器可以直接与计算机联用,用户需要这样使用时也需在订货时说明。此时采用三线制接线,系统应为传感器提供＋24Ｖ,ＤＣ,30ｍＡ的直流电源，传感器向计算机输出５Ｖ（ＰＰ）电压脉冲信号。

(3). 传感器与流量积算仪(二次仪表)之间导线长度一般限制在200米以内。传输距离超过200米时,应通过实地接线试验,保证线路的衰减和引入的干扰不影响仪表正常测量。

接线端子

2．安装

(1). 安装地点的选择

a. 环境温度:传感器的工作环境温度不低于-40℃,不高于+55℃,如受到生产设备的热幅射时,应采取隔热和通风措施。

b. 环境空气:避免将流量计安装在含腐蚀性气体的环境中,如只能安装在含腐蚀性气体的环境中,则需提供充分的排风措施。

c. 机械振动和冲击:流量计的结构是坚固的,不会因振动而损伤,但振动会产生干扰信号,若管道上的振动和冲击强烈,而介质流速又低,则可能导致干扰信号大于流量信号,造成示值误差。因此,流量计应当尽可能安装在振动和冲击小的场所,安装位置在5～20Ｈｚ的振动频率下,要求振动加速度不大于1ｇ,否则应采取减振措施。例如在流量计安装处振源来向的管道上加装固定支撑。

d. 其它:流量计安装地点周围应有充裕的空间,安装在高处的流量计应尽量有工作平台,以便于安装和维修。此外,为了维修检查方便,附近应有可供测量仪器用的交流220Ｖ电源插座。

(2). 管道安装与要求

a. 传感器上游侧和下游侧应有足够长的直管段。直管段长度应符合表1的要求。

b. 在规定的直管段长度内,管道入流段与出流段目测应是平直的。为保证被测介质满管,传感器应尽量避免安装在调节阀、半开闸阀的下游。一般情况下不在扩大管后安装流量传感器。

c. 本传感器可垂直、水平或其它任何角度安装,将传感器安装在垂直或倾斜管道上时,流体流向应是自下而上的。

d. 需要在传感器附近装设取压或测温点时,取压点应在传感器前1Ｄ以外,测温点应在传感器5Ｄ以外。

(3). 涡街流量传感器的安装

本传感器与相应的累积显示仪配套,组成涡街流量计,它们在安装时必须注意下列事项:

a. 被测介质流向必须与传感器流通本体上的流向箭头标志一致。

b. 检测放大器与传感器是按照测量范围和公称通径配套的,不能互换。

c. 安装卡装式流量传感器时,可通过专用凹面法兰的凹面保证管道和传感器流通本体同心。并注意密封垫不能深入管中。

安装用的凹面法兰和双头螺栓、螺母请在订货时一起订购。当用户自己解决时,法兰尺寸、双头螺栓的长度参看图五和表5及表6。

d. 安装法兰连接式传感器时,要注意管道上的法兰应与传感器的法兰规格一致,(法兰尺寸按标准JB81-59)密封垫不要深入管内。

e. 与传感器配套的累积显示仪表,可集中装在仪表盘上,也可另购置本厂出品的单独仪表箱。

六、检查及调整

1、传感器放大器静态工作点如表7

灵敏度的调整

灵敏度的调整起抑制振动及其它干扰作用,防止在振动强烈的场合,引起信号的误触发,造成计量不准确。灵敏度调整电位器Ｗ2在出厂时已调于适当位置。现场调整的目的是为了使仪表适应工作状况,使其工作在状态,现场调整的主要目标是:

(1). 使传感器在使用条件下获得有规则的、电气和机械干扰噪声较小的涡街信号。

(2). 涡街信号的强度(信号幅度)适当,电路的脉冲信号连续而均匀,无漏信号和多触发信号现象,各测试点波形如图九所示。

达到(1)的目标的标志是:由放大器检测点ＴＰ1观察到的信号波形是较规则的(叠加有不大的噪声信号)正弦波。信号频率稳定,且随流量变化而变化。

如ＴＰ1信号不正常,应通过改善接地消除电气干扰,减弱机械振动噪声影响或纠正管道安装对中不良,法兰垫片放置不当等使信号质量得到改善。

为达到输出脉冲信号均匀连续、无多触发或漏触发现象,可用双踪示波器同时观察ＴＰ2和ＴＰ3的波形并互相配合地调整增益电位器Ｗ1和触发灵敏度电位器Ｗ2来实现。调整在无流量的情况下进行,打开传感器前盖,用示波器观察ＴＰ3波形,如无流量时有方波信号,则反时针方向旋转电位器Ｗ2,减少灵敏度,直至脉冲消失为止。当现场振动小,介质流速又很低时,如灵敏度调得过低,则可能在有流量时无脉冲方波。这时应在管道流量为测量下限流量的情况下,顺时针方向旋转Ｗ2提高灵敏度直至出现正常的脉冲输出为止(参见图十)。

应当兼顾到上述两种情况,调整好Ｗ2的位置,使得在无流量时无脉冲输出,而处于测量下限流量时有正常的脉冲输出。

七、拆卸和重新装配

维修和替换零件时,可参阅传感器的结构图(图二),

接下述顺序拆卸和装配。

1、传感器检测放大器的拆装

(1). 切断电源;

(2). 打开检测放大器侧的盖子;

线2条,信号输出线2条,接地线1条;

(4). 松开固定放大器的3颗螺钉,垂直拿出放大器线路板;

(5). 重新安装时,先将引线插入各接线柱,扭紧螺丝,再将放大器组件的3 个螺钉对准安装孔,固紧放大器固定螺钉。

2、检测探头的拆卸

当检测探头对外壳已短路(探头引线对地绝缘电阻小于1ＭΩ)或已损坏无信号输出时,需要更换探头,此时应按以下顺序操作:

(1). 按上述顺序先拆下传感器检测放大器;

(2). 用Ｍ4六角匙拆下内六角螺栓11;

(3). 取出压紧螺塞7,钢垫圈8及橡胶密封垫圈9;

(4). 用Ｍ6六角匙拆下内六角螺栓12,让支承杆与流通本体分离开;

(5). 用Ｍ5六角匙拆下内六角螺栓17,然后取出检测探头;

(6). 重新安装时,按上述步骤的逆顺序进行。同时请注意以下几点:

a．探头密封垫要更换新的。

b．探头上的定位销和流通本体上的定位销孔对准。

c．探头的紧固螺栓要均匀地固紧,探头尾部与旋涡发生体(三角柱)后部要同在一条轴线上。

d．装配后，确认一下探头与流通本体密封面无泄漏现象，(可用试压泵试压,试验压力按额定压力的1.5倍考虑)。

八、维护及故障排除

1. 流量传感器的正常使用,要求被测介质为单相流体。液体中允许有少量的气泡或固体颗粒,气体中允许有少量的液雾或粉尘。饱和蒸汽的干度不低于85％。当被测介质含杂质较多时,如欲获得较好的测量精度,应考虑定期清洗传感器的流通部份。

2. 流量显示不正常的原因可能由于传感器故障,也可能来自显示仪表,计算机的故障,还有可能来自管道和工况方面的原因,因此分析故障原因时应对系统作全面的考察。

3. 直接与传感器有关的故障现象及处理方法可参考表