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应力式涡街流量计检测方法

来源：淮安润泰仪表有限公司 2010年10月26日 16:32

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目前，我厂已应用44台瑞特自动化仪表厂生产的涡街流量计计量蒸汽流量。由于是新型仪表，对其性能、特点、一次件与二次表匹配及原理等方面缺乏了解，在使用中出现了许多问题，给维护、检修人员带来许多麻烦，因而有必要对各部分的检修方法加以研究，以利于他们的工作，提高仪表的三率。
　　本文论述的各部件检修方法，是笔者经过亲身实践总结出的经验，具有可信性和实用性，相信会对检修人员的工作有所帮助。
　　做检修工作之前，需准备下列仪器以提高维修、测试质量：数字频率计1～2000Hz；超低频示波器（双踪）；万用表。

1　涡街流量计的基本工作原理

　　应力式涡街流量传感器是基于“卡门涡街”原理而研制的新一代流体振荡型仪表。传感器表体由一个与公称通径相同的壳体和一个断面为三角形的旋涡发生体构成。在旋涡发生体内装有检测元件，当流体流过柱体时，在其后部两侧交替产生两列旋涡，一侧旋涡分离的频率与流速成正比。

式中　F——旋涡分离频率；
v——柱侧流速；
D——传感器通径；
d——旋涡发生体迎流面宽度；
Sr——斯特劳哈尔数（对一定柱型为常数）。
旋涡在柱体两侧交替产生时，将产生与流动方向垂直的横向交变力，该力作用于柱体内检测元件，使检测元件内的压电晶体产生与旋涡分离频率相同的电荷信号，检测放大器把电荷信号变换处理后，输出与流量成正比例的脉冲信号到二次表，二次表对脉冲信号进行分频，累积总量（体积）。另外，经F／I转换到电流表，指示瞬时流量。

2　部件之间的信号传输（见图1）

图1　部件之间的信号传输

　　图1中端子1，2为放大板的输入端子，信号是交变的电荷信号，来自于压电晶体探头（端子1，2与探头间是抗高温特制导线）；端子C为放大板电源端子（＋12V），与二次表的端子C对应；端子B为放大板输出信号端子、与二次表的B对应；A为放大板OV端子，与二次表的A对应，放大板与二次表间用AVPV型3芯屏蔽导线连接；端子6为放大板接地端子。
从上述可知，来自于探头的交变电荷信号经放大板放大、整形后变成方波脉冲信号输出至二次表，二次表对此方波信号进行分频、累积，再经过f/I转换变成电流信号送电流表，指示瞬时流量。

3　涡街流量计探头的检测

3.1　探头结构（见图2）

图2　探头结构

　　压电晶体实质上是两片，一片用于抗震动干扰，一片用于检测。探头引线是检测片的两根引线，探头壳体由涡街体管壁插入，通过固定法兰固定在涡街体管壁上。
3.2　探头适用温度
该探头在300℃以下均能正常工作，zui高可抗320℃。如果温度再高，将破坏密封瓷体，使探头性能下降，甚至损坏探头。
3.3　检测
3.3.1　外观检查
壳体有无破损，探头引线有无松动，密封瓷体是否由于温度过高而由白色变成褐色或破裂。出现上述情况之一者，探头可能损坏。
3.3.2　用万用表“×10k”档检查探头两根引线，应为无穷大，如果有阻值，探头性能下降；如果在几十千欧姆以下，探头损坏。
3.3.3　用超低频示波器检查，连线如图3。

图3　示波器检查连线示意图

　　用物体轻敲探头头部，此时，示波器屏幕应有不规则正弦波出现，表示探头完好，如图4。

图4　示波器图形

　　如果没有类似的图形出现，说明探头已损坏。
3.3.4　整体连校
按图1将探头、放大板、二次表连接好。用物体轻敲探头头部，此时，二次表瞬时流量表指示将有波动，说明探头完好，但这种校验方法应在放大板及二次表正常情况下进行，否则无效。
探头经检测为损坏后，无法修复。

4　涡街流量计放大板的检修

　　我厂使用的涡街流量计放大板有两种类型：圆板和方板。方板用于防爆场合。下面分别加以说明。
4.1　圆板
4.1.1　电路原理图（见图5）

图5　检测放大器原理图

　　1）由图5可知放大板从S₁，S₂端接收来自探头的交变电荷信号，经放大整形变成方波信号，由B，A两端输出至二次表。
2）电路中应用了两块运放集成块LM324N和LM358P。
LM324N为四运放集成块，管脚图如图6。

图6　LM324N管脚图

　　LM358P为双运放集成块，管脚图如图7。

图7　管脚图

　　3）图5中，W₁为调增益电位器，W₂为调灵敏度电位器。另外，图中C₁₃,C₁₄,C₃₂,C₃₃4个电容末给出参数值，这是因为在测量不同介质不同管径时，这4个参数值是有变化的，见表1。因此，千万注意，不同放大板是不能随意互换的，需调整4个电容参数后，才能互换。

表1　介质为蒸汽时4个电容随管径的变化数据

管径 /mm	C₁₃/pF	C₁₄/pF	C₃₂/μF	C₃₃
40	390	390	0．033	3300pF
50	390	390	0．033	3300pF
80	390	390	0．047	8200pF
100	390	390	0．068	0．01μF
150	390	390	0．1	0．033μF
200	680	680	0．1	0．047μF
250	680	680	0．1	0．068μF
300	680	680	1	1μF

4.1.2　检修方法
1）仪器连线图见图8。数字频率计发出标准频率信号给放大板的输入端S₁和S₂，示波器的两路输入分别监测放大板的输入和方波输出，二次表的连入主要是给放大板提供电源。

图8　仪器连线示意图

　　2）放大板正常时，各监测点波形如图9。

图9　各监测点波形
注：以上波形幅度未按比例绘制

　　3）上面的5个监测点实际上将电路分成了4个部分，我们可以按上面的波形分部分查找故障，使板很快修复。
例如：我们在检查一块放大板时，发现S₁，S₂及TP₁的波形与上面相符，而TP₂，TP₃，OUT均成了直线。这样就可判定问题一定出在C₃₁～C₄₁间。一查，发现是C₃₂损坏，换上C₃₂后，全部正常。在此过程中，波形查找应从后向前进行，每一部分器件的检查应按电容、二极管、稳压管、集成块、电阻的顺序，判断好坏。
4.2　方板
方板电路设计主要加进了防爆因素，基本原理，输入、输出信号波形与圆板相同。因此，方板检修可参照圆板检修的程序进行，不再赘述。

5　涡街流量计二次表的检修

　　涡街流量计二次表也分防爆型与普通型两种，除防爆因素外，电路结构基本相同，现在以防爆型为例，说明检修办法。
5.1　电路原理图（见图10）

图10　电路原理图

　　由电路图可知，该电路主要由3部分组成（见图11）。

图11　电路的3个组成部分

5.2　芯片介绍
在图10电路中应用了几个集成芯片，为检查方便，下面对这几个芯片加以介绍。
5.2.1　LM2907
它是频率/电压变换器芯片。管脚及内部结构如图12。

图12　频率/电压变送器芯片管脚及内部结构

　　1脚为输入端，5脚为输出端。6和7，13和14脚未用。调整C₁₂,R₁₂,W可以使满度电流达到值；改变C₁₃可改变信号响应速度。
5.2.2　MN4020
14级二进制串行计数器，管脚图如图13。

图13　14级二进制串行计数器管脚图

　　Clock10脚为信号输入端，Q₁～Q₁₄逐级频率以2^1／n规律下降的方波输出。
5.2.3　LM358
该芯片在上面已做了介绍，不再累述。
这里是利用LM358的一半与电阻R₂₃，R₂₄构成了V／I转换电路。
5.2.4　ITL117光电耦合器
是输入、输出隔离器件。
5.3　检修方法
5.3.1　仪器连线图
仪器连线图见图14。

图14　仪器连接图

　　这里数字频率计发出标准方波信号给二次表输入端A及B，示波器的两路输入，一路监测上面的方波信号，一路检测各检测点，以判断故障点。
5.3.2　二次表正常时，各监测点波形见表2。

表2　各检测点波形

测　点	波形或量值
A，B端	波形见图1）　标准方波
变电器输出端	波形见图15b）　AC　16V
C₀₁两端	波形见图15c）
C₀₂两端	波形见图15d）　DC +12V
T01基极	波形见图15e）+12V ＋11V　f=f输入
T01集板	波形见图15f）＞10V ＜1V　f=f输入
I₂，1脚	波形见图15g）　f=f输入
I₂，5脚	0～2．4V　DC随输入信号f成正比变化
I₁，1脚	0～V₀　V　DC随输入信号频率正比例变化
	但V₀与负载有关
I₃，16脚	波形见图15h）＞10V ＜1V　f=f输入
Q₄～Q₁₄脚	逐级频率以2^（1）/（n）规律下降的方波
	波形见图15i）　＞10V
117,1脚	频率为2^（1）/（Q）的方波
117，4．5脚	用电阻档干测得通断频率为2^（1）/（Q）
接线盒+12V端子	未接放大器时+12V
	带放大器连校时+9.6V

图15　波形

　　了解了上述波形及量值后，我们就可按上述波形或量值，按从后向前方式查找故障点。当然，如果对电路十分了解，也可先大致判断故障部分，然后对该部分按正常图形查找。也可按整体连校办法（二次表、放大板、探头），查找故障点，这种办法一般在现场常用。

6　选型及使用方面注意事项

　　针对瑞特自动化仪表厂生产的涡街流量计，经过两年多的使用，不仅在检修方法上积累了一定经验，而且在该流量计的选型及使用上也得到了不少教训，这方面的经验，对涡街流量计的正常运行至关重要。
6.1　选型注意事项
6.1.1　探头的选择
　　瑞特产品的探头分两种类型，即普通型和高温型。普通型可承受250℃以下高温，高温型可承受350℃以下高温。如果在高温场合选择了普通探头，使用一段时间后，探头瓷封部分就会裂缝，引线脱落。
　　它们的区别有3个方面：瓷封材质、引线与探头连接方式（点焊、高温型；一般锡焊，普通型）和连杆长短（放大板涡街体之间的连杆，高温型连杆长；普通型连杆短）。因此，在产品验收时，一定要注意这三个方面是否与设计要求相符。
6.1.2　口径选择
　　涡街流量计虽然量程比较宽，但也要根据工艺实际状况选用口径尺寸。以蒸汽为例，目前我厂蒸汽管路尺寸普遍偏大，而蒸汽用量因不同时间、不同季节，差异非常大。因此如果按原管路选择涡街表口径，就会造成计量精度下降，甚至不能计量的后果。
6.1.3　使用环境
　　从前面的分析可知，涡街表从检测到量的累积，都是频率信号传输。因此，如果使用地点磁场*，必将影响频率信号的传输质量，使用效果也不会理想。例如，我们在隔膜电解、离子膜电解厂房附近使用了三套涡街流量计，尽管采取了很多抑制干扰的措施，效果也不理想。
　　因此，在这种场合，应尽量避免使用这种计量
方式。
6.2　使用注意事项
　　从放大板及二次表的电路分析中，我们知道，瑞特自动化仪表厂产品中不同口径的产品，电路中有些器件参数的设置就不同，即放大板，二次表与口径之间具有针对性。因此，不同口径之间的放大板与二次表不能随意互换，要进行互换，必须按器件要求调校后，才能互换。
　　通过以上的介绍，我们已对涡街流量计原理、检修方法及使用注意事项有了全面了解，相信此方法会对涡街流量计的应用大有帮助

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