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振動(dòng)問(wèn)題是衡量一臺(tái)壓縮空氣流量計(jì)工業(yè)應(yīng)用好壞的一個(gè)重要指標(biāo)。目前,很多工業(yè)用戶(hù)之所以對(duì)壓縮空氣流量計(jì)的應(yīng)用失去信心, 在很大程度上是由于振動(dòng)因素影響。工業(yè)中的振動(dòng)是普遍存在的,目前較先進(jìn)的壓縮空氣流量計(jì)都有一定的抗振動(dòng)能力, 對(duì)于一般的工業(yè)振動(dòng)大部分都能消除。一般的工業(yè)振動(dòng)頻率大都在幾赫到幾千赫,壓縮空氣流量計(jì)的漩渦頻率正好落在這個(gè)范圍之內(nèi),本文以電容式、壓電式、超聲波式壓縮空氣流量計(jì)為例來(lái)說(shuō)明其抗振性問(wèn)題。
1.電容式壓縮空氣流量計(jì)抗振動(dòng)問(wèn)題
電容式壓縮空氣流量計(jì)以E+H公司生產(chǎn)的Prowirl70為代表, 它采用差動(dòng)開(kāi)關(guān)電容(DSC) 傳感器, 用來(lái)檢測(cè)漩渦壓力脈沖, 差動(dòng)電容結(jié)構(gòu)如圖1所示:
抗管道振動(dòng)和流體振動(dòng)能力: 當(dāng)振動(dòng)方向在縱向(順流向) 或與漩渦發(fā)生體軸線相平行的方向振動(dòng)時(shí),由振動(dòng)所產(chǎn)生的慣性力同時(shí)作用在振動(dòng)體及電極上,使振動(dòng)體都在同方向產(chǎn)生撓曲變形, 由于設(shè)計(jì)時(shí)保證了振動(dòng)體與電極幾何結(jié)構(gòu)與尺寸相匹配, 使它們的變形量一致, 差動(dòng)信號(hào)輸出為0, 從而使這兩個(gè)方向上的振動(dòng)所產(chǎn)生的影響基本消除了。
但是, 抗橫向(與漩渦升力方向一致) 振動(dòng)能力仍然很弱,因?yàn)樵谀骋粫r(shí)刻,往復(fù)振動(dòng)只在一個(gè)方向上對(duì)振動(dòng)套筒發(fā)生應(yīng)力,如果振動(dòng)明顯,必然在輸出信號(hào)上迭加振動(dòng)分量, 使輸出信號(hào)偏離真實(shí)值。電容式壓縮空氣流量計(jì)在頻率范圍為1～ 500Hz的縱向以及與發(fā)生體軸線相平行的方向的任何振動(dòng)以及高達(dá)1g 振動(dòng)加速度沖擊基本能夠消除,所以本流量計(jì)具有二維方向的抗振動(dòng)補(bǔ)償功能。
2.壓電應(yīng)力式壓縮空氣流量計(jì)抗振動(dòng)問(wèn)題
壓電應(yīng)力式壓縮空氣流量計(jì)以YOKOGAW A 的YF100E、Ro semo unt的8800A、F+P的V T/VR型為代表。
2.1 YOKOGAWA的YF100E的抗振動(dòng)設(shè)計(jì)
YOKOGAW A的YF100E采用兩片圓形壓電元件, 它們上、下封裝在漩渦發(fā)生體內(nèi)部(不與流體直接接觸) , 以此來(lái)感受漩渦升力和振動(dòng)應(yīng)力。每片壓電元件沿中性面分割成兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的半圓, 分別處于中性面的兩邊, 且極化方向相反。兩片壓電元件采用并聯(lián)方式,每片壓電元件的兩半片組成一個(gè)電極,兩電極從上下兩片極性相反的電荷而引出。三個(gè)不同方向的振動(dòng)力產(chǎn)生的電荷信號(hào)極性如圖2所示:
a 振動(dòng)方向與漩渦升力方向相同。此方向上的振動(dòng)噪聲不能*消除。
b 振動(dòng)方向與流體方向相同。此方向上的振動(dòng)不能產(chǎn)生噪聲信號(hào)。
c 振動(dòng)方向與發(fā)生體軸向平行。此方向上的振動(dòng)不能產(chǎn)生噪聲信號(hào)。
由此可見(jiàn), YF100E同樣能抗二維振動(dòng)(流動(dòng)方向上及與發(fā)生體軸向平行的方向上) , 但抗橫向振動(dòng)(升力方向) 能力仍然較弱。
2.2 F+ P的V T /V R抗振動(dòng)設(shè)計(jì)
F+ P壓縮空氣流量計(jì)采用對(duì)稱(chēng)差動(dòng)傳感器設(shè)計(jì)消除振動(dòng)影響,即用四只壓電敏感元件構(gòu)成渦街傳感器,以安裝法蘭為中心,兩對(duì)反并聯(lián)壓電元件封裝在上、下對(duì)稱(chēng)部位,每對(duì)壓電元件又以中性面為中心,分置中性面兩側(cè), 如圖3, 當(dāng)振動(dòng)作用在X方向或Z方向時(shí), 四只壓電元件產(chǎn)生電荷相互抵消,如圖4,起到了X方向及Z方向的振動(dòng)補(bǔ)償功能。當(dāng)漩渦升力交替作用在Y方
向上時(shí), 只有中性面下兩片壓電晶體產(chǎn)生差動(dòng)電荷信號(hào), 如圖5, 由于兩片壓電片為并聯(lián)方式, 所以輸出信號(hào)加倍。
當(dāng)振動(dòng)信號(hào)作用在Y方向時(shí), 顯然振動(dòng)信號(hào)迭加到漩渦升力上, 此方向的振動(dòng)仍不能克服。
由此可見(jiàn), 此傳感器結(jié)構(gòu)具有抗X方向, Z方向二維振動(dòng)能力, 對(duì)Y方向的振動(dòng)干擾能力很弱。
Ro semount 8800A智能壓縮空氣流量計(jì)采用質(zhì)量平衡結(jié)構(gòu)從機(jī)械上消除管道振動(dòng)(或流體振動(dòng)) 影響, 與YF100E相似, 它只能克服流動(dòng)方向及與漩渦發(fā)生體相平行方向的振動(dòng), 而對(duì)升力方向上的振動(dòng)仍然無(wú)法*克服。
總之, 壓電式壓縮空氣流量計(jì)具有二維方向(順流向和漩渦發(fā)生體相平行方向)抗振動(dòng)能力, 無(wú)論如何, 它抗升力方向上的振動(dòng)仍然是很弱的。
1. 3 超聲波壓縮空氣流量計(jì)— — 真正的抗三維振動(dòng)壓縮空氣流量計(jì)
超聲波壓縮空氣流量計(jì)目前成熟產(chǎn)品的廠家有日本OV AL公司(氣體) , 東機(jī)工公司(液體) , 橫河電機(jī)的UYF (液體)。
利用超聲波作為檢測(cè)元件的壓縮空氣流量計(jì)是將超聲波發(fā)射源和超聲波接收器按一定位置安裝在殼體外,如圖6。當(dāng)漩渦通過(guò)超聲波線束時(shí), 接收器接收到的超聲波線束速度發(fā)生變化, 檢測(cè)速度變化的頻率作為漩渦的頻率信號(hào), 通過(guò)電子線路處理輸出能夠遠(yuǎn)傳的信號(hào)。由于避開(kāi)了檢測(cè)漩渦升力的方法,故它有別于壓電應(yīng)力式、電容式渦街檢測(cè)方法,即使配管振動(dòng)和流體振動(dòng)在各部位產(chǎn)生應(yīng)力,也不會(huì)產(chǎn)生敏感的噪聲信號(hào),故獲得本質(zhì)上的高抗振性, 而其測(cè)量精度和結(jié)構(gòu)尺寸等指標(biāo)也與其它壓縮空氣流量計(jì)相似, 本流量計(jì)具有良好的抗三維振動(dòng)能力, 抗振動(dòng)加速度達(dá)3g 以上。
綜上所述, 電容式、壓電應(yīng)力式、超聲波式壓縮空氣流量計(jì)都有較好的抗振動(dòng)能力, 是目前市場(chǎng)上比較的品種。電容式和壓電應(yīng)力式只能抗二維振動(dòng),而超聲波具有抗三維振動(dòng)能力。因此, 在一般場(chǎng)合, 小于1g振動(dòng)加速度, 振動(dòng)頻率小于500HZ、振幅<2. 1mm(用手摸有強(qiáng)烈的振感,有握不住的感覺(jué)) ,三種流量計(jì)都能滿(mǎn)足要求,但在振動(dòng)特別強(qiáng)烈的場(chǎng)合,或有升力方向振動(dòng)的場(chǎng)合, 選用超聲波壓縮空氣流量計(jì)則是比較合適的。
必須特別指出, 由于振動(dòng)加速度是振幅和振動(dòng)頻率的函數(shù), 管道振幅小, 振動(dòng)加速度小; 振動(dòng)頻率小,加速度亦小, 反之亦然。管道支撐只能減小振幅, 但不能減少振動(dòng)頻率。因此, 在選擇流量計(jì)安裝位置時(shí), 振動(dòng)頻率是一個(gè)不可忽視的因素。好在一般工業(yè)頻率都比較低(從幾赫到幾千赫) , 只要振幅不是太大, 以上幾種型式的壓縮空氣流量計(jì)均可以滿(mǎn)足要求。
同一種尺寸的壓縮空氣流量計(jì), 用在液體上的抗振動(dòng)能力比用在氣體上強(qiáng),這是由于氣體密度小,所產(chǎn)生漩渦升力較小的緣故。同樣,用在大流量上比用在小流量計(jì)抗振性強(qiáng),因?yàn)榇罅髁慨a(chǎn)生的漩渦比小流量更強(qiáng)烈。
因此, 根據(jù)介質(zhì)密度和流量選擇壓縮空氣流量計(jì)時(shí)要加以注意。必須特別注意抗二維振動(dòng)的壓縮空氣流量計(jì)的安裝,如果水平安裝的壓縮空氣流量計(jì)其振動(dòng)干擾方向是與漩渦發(fā)生體相平行的方向, (此方向的振動(dòng)是可以消除的) ,但是, 當(dāng)將壓縮空氣流量計(jì)轉(zhuǎn)過(guò)90度, 則與漩渦發(fā)生體相平行的方向上的振動(dòng)對(duì)壓縮空氣流量計(jì)來(lái)說(shuō)則變?yōu)樯Ψ较虻恼駝?dòng)了,會(huì)產(chǎn)生明顯的振動(dòng)干擾信號(hào),這是不允許的。很多壓縮空氣流量計(jì)廠家說(shuō)明書(shū)聲稱(chēng)其流量計(jì)可以任意角度安裝,恐怕此種說(shuō)法欠妥。除非系統(tǒng)沒(méi)有任何振動(dòng)或振動(dòng)干擾很弱, 在這種情況下是可以任意角度安裝的,否則,應(yīng)避免振動(dòng)方向與漩渦升力方向相一致的安裝。
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