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渦街和渦輪兩種流量計技術性能的分析和比較

發(fā)布時間:2020-08-29 08:52:15??點擊次數(shù):2073次
近年來,在很多引進的生產(chǎn)線的精度要求高的流體測量中采用了不少渦輪流量計。這些流量計直接與DCS控制系統(tǒng)或其它工業(yè)控制計算機系統(tǒng)的I/0卡相連接,提供計算機所需要的脈沖信號。該儀表價格較高,造成備品備件的困難。
為了降低成本,解決生產(chǎn)上的需要,在仔細地研究了進口渦輪流量計和國產(chǎn)渦街流量計的技術性能之后,認為在它的生產(chǎn)條件下,可以使用國產(chǎn)渦街流量計替代進口渦輪流量計。下面分別介紹國產(chǎn)渦街流量計與進口渦輪流量計之間的性能差異和生產(chǎn)上替代的可行性,實際使用中所存在的問題及解決方法。
1、兩種流量計技術性能的分析和比較
電池供電渦輪流量計與國外渦輪流量計的主要技術性能如表l所示。表1中為采用公稱直徑為100的傳感器測量范圍。
1.1 量程比流量范圍的比較
渦輪流量計的量程比較大,為l:20。因此渦輪流量計的線性范圍寬,*小流量可達到9m³/h;而渦街流量計量程比小,*小流量為20m³/h。
在實際生產(chǎn)過程中,多數(shù)場合要求控制的*低流量大于30m³/h,大于渦街流量計的流量測量的下限值。因此,從生產(chǎn)需要的條件上來看,用渦街流量計代替渦輪流量計是可行的。而在運行可靠性與費用上,則渦街流量計的優(yōu)點較為突出。
1.2 測量精度
渦輪流量計的精度為0.2%;而渦街流量計的精度經(jīng)過修正后可達到0.5%,顯然渦街流量計的精度較低。然而一般生產(chǎn)要求累積流量達到25~35m³/h時,其誤差不能超過0.5m³,相對誤差為1.4%。如果我們采用計算機對渦街流量計的測量進行修正,其測量精度完全可滿足生產(chǎn)要求。
2、存在的問題
由于流量計是直接地與計算機的輸入卡連接,因此原配接的渦輪流量計有4個條件:
(1)必須是三線制式的脈沖信號;
(2)輸出電平應達到10V峰值;
(3)輸出>10mA的電流;
(4)工作電壓為24V DC。
對于三線制式脈沖信號,兩種流量計是相同的,但輸出信號的電平不同。渦街流量計只有7V峰值,與渦輪流量計不同;同時,渦街流量計要求負載阻抗必須大于10kΩ,而配渦輪量流計的計算機輸入卡的輸入電阻只有1kΩ;同時該卡提供的是24V DC電源,而渦街流量計的工作電壓為12V DC。也就是說,在實際應用中除三線制式脈沖信號相同外,改用渦街流量計還存在其它三個條件與渦輪流量計不同的問題。也就是說,渦街流量計可滿足生產(chǎn)要求,但實際上因為它不能滿足計算機輸入卡的阻抗匹配要求,而不能直接替代渦輪流量計。因此,必須解渦街流量計的電源電壓、輸出電平幅度和負載能力的匹配問題之后,才可以替代渦輪流量計。
3、解決方法
為了滿足計算機接口的要求,我們設計并制作了一個電子單元,作為渦街流量計與計算機輸入卡之間的接單元,其原理框圖如圖1所示。
虛線框內(nèi)為接口電路單元,此單元主要由穩(wěn)壓、電平變換、功率放大三部分組成,主要完成三個功能:
a、將計算機輸入卡提供的24V DC電源轉(zhuǎn)換成渦街流量計所需要的12V DC電源。此功能由穩(wěn)壓電路完成,并具有短路限流保護。
b、將渦街流量計輸出的電平幅度從7V提高到10V峰值。電平變換部分完成此功能,并具有大于20kΩ的輸入阻抗。
c、提供大于10mA DC的輸出電流。此功能由功率放大部分完成,并同時具有 限流作用,使得輸出電流*大不超過計算機輸入卡所能承受的電流,以保護計算機的脈沖輸入卡。
4、電路設計與調(diào)試接口單元的實際電路見圖2。
穩(wěn)壓電路采用穩(wěn)壓二*管進行穩(wěn)壓。設計中考慮渦街流量計的*大工作電流為15mA,穩(wěn)壓二*管*小穩(wěn)壓電流為2.5mA,則限流電阻R9為
R9=(Vcc-Vc)/(Io+ID)=(24-12)/(15-2.5)=686Ω
選電阻R9為680Ω,則當無負載時,穩(wěn)壓二*管D1和D2所通過的*大電流Imax為Imax=(Vee-Vo)/R9=12/680=18mA  (2)
此電流值遠小于穩(wěn)壓二*管2DW7C的*大電流,2DW7C可長期穩(wěn)定工作。
當負載短路時,Ve=0。此時,限流電阻中所通過的*大電流I為
IRmax=Vee/R9=24/680=36(mA)   (3)
在36mA電流下,完全可有效地保護計算機卡的供電系統(tǒng)。
電平變換電路采用施密特觸發(fā)器電路,因它有較好的觸發(fā)性能和較高的輸入阻抗。功率放大部分采用射級輸出器形式。
設計算機脈沖輸入卡的輸入電阻為1kΩ,在10V峰值下所通過三級管T3的意電流Ie近似為
Ie=V0/(Re/R1)=Vo/(Re/2)=10/(1/2)=20(mA)   (4)
選三*管T3的直流放大倍數(shù)為20,則,電阻R3應為。
R3=(Vee-Vee-Ve)/Ib=(24-0.5-10)/(20/20)=14kΩ   (5)
取R3的值為12kΩ。電阻R8為限流保護電阻,選為680Ω。即使三*管T3發(fā)生擊穿短路情況,由于此電阻的限流作用,使得計算機輸入卡上的*高電壓不會超過10V。它可有效地保護輸入卡。
穩(wěn)壓二*管D3的型號為2CW18,其標準穩(wěn)壓,值為11V,它起輸出限幅作用。
為了提高渦街流量計觸發(fā)靈敏度,選擇單元電路觸發(fā)器的觸發(fā)電壓為1.0V,則電阻R6上的電壓在0.5V。電阻R6可選為
R6=0.5/Ie=0.5/(24/12)=250(Ω)   (6)
這里考慮當三*管Tl截止時,2T是處于飽和導通狀態(tài),因此通過電阻R6上的電流近似等于電源電壓除以電阻R6。
取電阻R2與R3相同。設兩三*管T1和T2的直流放大倍數(shù)均為100倍,當三*管飽和導通時其基*電流Ib為
Ib=Ie/100=2/100=0.02   (7)
如果要保證三*管T1在1.5V觸發(fā)電壓下可靠地飽和導通,則輸入電阻R1為
R1=(V1-Vba-Ve)/Ib=(1.5-0.5-0.5)/0.02=25kΩ   (8)
考慮三*管參數(shù)的離散性,取R1為20k。
調(diào)試時,先將接口單元的輸出端接1k電阻,然后將輸入端接1.5V電壓,逐步減小電阻R5的值,直至輸出端電壓上升到10V;若不能達到此值,則可能是三*管T3的直流放大倍數(shù)過低。逐步降低輸入端的電壓直至1.2V,此時輸出端應為零。若不能可靠地回零,則可能是電阻R5的值過小。
有條件的情況下*好使用雙蹤示波器同時觀測輸人端和輸出端電壓的波形,其波形為矩形*好。
5、運行結果
將渦街流量計和接口電路安裝并投入試運行連續(xù)30次加料記錄與同一管路的另一臺進口渦輪流量計相比較,渦街流量計測量準確、復性好、工作穩(wěn)定、可靠,渦輪流量計*大累積相對誤差0.049m³,平均相對誤差為0.004m³。
此渦街流量計的成功運行,為保證生產(chǎn)的安全、正常運行起到了重要的作用。同時也降低了成本和節(jié)約了外匯及采購周期。