摘(zhāi)要：爲克服液體(tǐ)容積(jī)式流(liú)量計(jì)的缺陷(xiàn)，在(zài)卡門(mén)渦街(jiē)原理(lǐ)和創(chuàng)新(xīn)的(de)基礎(chǔ)上,基(jī)于渦(wō)街流(liú)量(liàng)傳(chuán)感器 的精度高(gāo)液體旋渦流量(liàng)計。實(shí)際(jì)應(yīng)用表明:該旋渦流量(liàng)計具有精(jīng)度高(gāo)、量程(chéng)寬及(jí)對前(qián)後直(zhí)管段(duàn)要求低等(děng)優點，可應(yīng)用于(yú)環(huán)境(jìng)苛刻的計(jì)量(liàng)場合。
　　液(yè)體流量(liàng)計 主要以液體容(róng)積式(shì)流量計“爲(wèi)主，如(rú) 橢(tuǒ)圓(yuán)齒(chǐ)輪流量(liàng)計 、螺(luó)旋轉子(zǐ)流(liú)量計及羅(luó)茨流(liú)量計等,其(qí)共同點是(shì)精度(dù)較高(gāo)且有一對轉子(zǐ)，系機械式流量(liàng)計;但量程(chéng)窄、結(jié)構複(fú)雜、零部件(jiàn)加工(gōng)精度高、材料(liào)成本高、可動(dòng)部件的轉子(zǐ)易(yì)磨損、壓力(lì)損失(shī)大、易卡滞(zhì)、不能(néng)計量含顆粒物(wù)或結晶的(de)液體、不耐高溫及不(bú)能用(yòng)蒸汽(qì)吹掃(sǎo)等缺陷(xiàn)，因此适用場(chǎng)合非(fēi)常有(yǒu)限。普(pǔ)通旋渦流(liú)量計指渦(wō)街流量計，但其精度(dù)很難(nán)達(dá)到一-級(jí)以上,對(duì)前(qián)後直(zhí)管段(duàn)等(děng)安裝工藝的要求也較(jiào)高,而(ér)且可(kě)測液體流(liú)速(sù)較高; 渦(wō)輪流量計 結構(gòu)複雜(zá)，有轉動的(de)渦輪轉子和軸承，對零部件加(jiā)工精度要(yào)求高(gāo),也不(bú)耐高溫,不(bú)能測量(liàng)易結晶(jīng)流體。
　　目前工業(yè)生産中對(duì)精度(dù)高、安(ān)裝(zhuāng)要求低(dī)、性能(néng)可靠(kào)、适用範圍廣(guǎng)的高品(pǐn)質流量計的需(xū)求越(yuè)來越多。爲克服液(yè)體(tǐ)容積(jī)式流(liú)量計的缺(quē)陷,在卡門(mén)渦街(jiē)原理(lǐ)和技術創(chuàng)新的基礎上，研(yán)制基于(yú)渦(wō)街流量傳感器的液體旋(xuán)渦流量計(jì)。
1液體旋渦流量計①
1.1計量原理
　　液(yè)體旋渦流(liú)量計(jì)的基(jī)本結構如圖(tú)1所示。測量管表體的剖視圖(tú)如圖2所示(shì)，可見(jiàn)其爲(wèi)三(sān)段式結(jié)構。
 
　　測(cè)量(liàng)管(guǎn)表體(tǐ)與流體輸(shū)送管(guǎn)相(xiàng)連，流體流入測量管表(biǎo)體(tǐ),通過旋(xuán)渦發(fā)生體(tǐ)的流體分(fèn)散6處(chù)沿偏(piān)角的(de)葉片(piàn)向前流動,并産(chǎn)生繞管道中心軸旋轉的(de)脈動旋渦(wō)流繼(jì)續流(liú)動,随(suí)着縮(suō)口段的(de)減小，脈(mò)動旋渦(wō)流的流(liú)速越(yuè)來(lái)越大，到(dào)達直管段時流(liú)速最大，并(bìng)經直(zhí)管段的二(èr)次整(zhěng)流後脈動流最(zuì)強(qiáng)、最穩定，且環(huán).繞管壁處的流(liú)速最大(dà);此時插(chā)入安裝在直管(guǎn)段的(de)旋(xuán)渦檢測(cè)傳感器檢(jiǎn)測到旋渦流的脈(mò)動(dòng)頻率，該脈動頻(pín)率和流體流速(sù)成良好的線性(xìng)關系(xì)，旋渦檢測(cè)傳感器輸(shū)出(chū)相(xiàng)應頻率的電信(xìn)号到信(xìn)号處理(lǐ)與 積(jī)算顯示儀(yí) 後進行信(xìn)号處(chù)理并準确計算(suàn)出流(liú)體(tǐ)流(liú)量;計(jì)量過的旋渦流(liú)經消旋器(qì)消旋整流(liú)成無(wú)旋渦(wō)的流體(tǐ)流(liú)往下(xià)遊管(guǎn)道(dào)。
1.2旋渦發(fā)生體
　　旋渦發生體的(de)不同于三(sān)角柱或(huò)梯(tī)形柱(zhù)田渦街(jiē)旋渦發生體,它是(shì)在-一(yī)個小直徑圓柱體上(shàng)圓周(zhōu)螺旋(xuán)分布安裝6個直(zhí)葉片,6個直(zhí)葉片沿圓周均勻分(fèn)布且(qiě)與中心軸(zhóu)呈40°偏(piān)角。這種特(tè)殊結構的旋渦(wō)發生(shēng)體既是旋(xuán)渦流的發(fā)生體(tǐ)，又具有(yǒu)流動調整器的作(zuò)用,因(yīn)此經過該旋渦(wō)發生體(tǐ)産(chǎn)生的旋渦流(liú)場(chǎng)更穩(wěn)定、更強(qiáng)，旋(xuán)渦流對安裝在後面(miàn)的(de)流量傳感器(qì)作用(yòng)力也更(gèng)大(dà),有利(lì)于(yú)流(liú)量信(xìn)号的(de)檢(jiǎn)測，也從(cóng)根本上(shàng)保證了(le)流量計具有良(liáng)好的(de)重複(fú)性”;此(cǐ)特征也是(shì)作爲液體旋渦(wō)流量(liàng)計的(de)首(shǒu)要(yào)和必(bì)要條件;該(gāi)結構(gòu)特點(diǎn)也(yě)使該流量計不僅對安(ān)裝工藝要求低(dī)，特别(bié)是對(duì)前後直管(guǎn)段(duàn)長度的(de)要求更低(前直(zhí)管段3d~5d,後直管段(duàn)1d~2d),而且可(kě)以(yǐ)抑制(zhì)上遊脈動流、紊(wěn)流0、管道(dào)振動和(hé)流體(tǐ)氣穴的幹擾,這是渦(wō)街流量計(jì)與其他速(sù)度式流(liú)量計所不具備(bèi)的。另外(wài),該部(bù)件整體采(cǎi)用不(bú)鏽鋼材料(liào)，可耐(nài)高(gāo)溫耐腐(fǔ)蝕。
1.3測(cè)量管表體
　　測量管表體是(shì)具有(yǒu)特(tè)殊結構和尺寸的三段式直(zhí)通管，全部(bù)采用不鏽鋼制(zhì)成;表體内通道(dào)形狀像經(jīng)典的(de)文丘裏管,但與(yǔ)其作用(yòng)有本質(zhì)區别(bié)，此(cǐ)處結構(gòu)不同于文丘裏(lǐ)管獲得上下遊(yóu)符合特定(dìng)函數(shù)規律的(de)壓差參(cān)數，而是獲得一個(gè)适度的壓差(chà)和流(liú)體的加速作用(yòng)，起到(dào)對旋(xuán)渦流體(tǐ)二次整(zhěng)流的作(zuò)用(yòng)，二次(cì)整流過的(de)旋渦(wō)流脈動更(gèng)強,旋(xuán)渦傳感(gǎn)器(qì)就是檢測(cè)此(cǐ)時的旋渦流(liú)脈動。另外，此(cǐ)三(sān)段式流體(tǐ)通道的壓損較(jiào)小,對(duì)流量(liàng)計的(de)流量(liàng)特性(xìng)曲線有調整(zhěng)功能，在(zài)結合大量(liàng)實驗(yàn)數據的基礎上(shàng)優化計(jì)算出一套尺(chǐ)寸參數，按(àn)此尺寸設(shè)計的(de)流(liú)量計在較寬(kuān)的流量範圍(wéi)仍(réng)具有很高(gāo)的線(xiàn)性度,這個(gè)特征是作爲流(liú)量計(jì)能保證的(de)關鍵(jiàn);直管段部分的直徑(jìng)比參數的(de)設計值(zhí)大于0.7,從(cóng)而在(zài)滿(mǎn)足精度(dù)要求(qiú)的同時實(shí)現流通截面最(zuì)大化，從根本.上(shàng)減小工作時的(de)壓損(sǔn)，後期(qī)實驗(yàn)驗證壓損(sǔn)僅爲(wèi)同口徑容積式(shì)流量計的20%~30%，節能效果(guǒ)明(míng)顯;該設(shè)計也(yě)保證了整(zhěng)個流(liú)體管(guǎn)道内(nèi)光滑流線(xiàn)無死角,不會造(zào)成堵(dǔ)塞及介質留存等現象,可用于(yú)易結晶、含顆粒(lì)物、非潔淨液體(tǐ)或具有(yǒu)衛(wèi)生潔淨要(yào)求的(de)液體(tǐ)計量。
1.4旋渦檢測傳感器(qì)
　　(簡稱傳(chuán)感器),該傳感器采用(yòng)高溫铌酸(suān)锂壓電(diàn)晶體技術040、探(tàn)頭内腔無(wú)填充(chōng)材(cái)料結構、抽真(zhēn)空全氩弧(hú)焊接(jiē)密(mì)封技術(shù)及剛(gāng)性的(de)金屬(shǔ)铠裝導線等新材料(liào)和新(xīn)工藝(yì)技術制成(chéng);探(tàn)頭(tóu)也采用(yòng)不鏽鋼材料制(zhì)成。該傳(chuán)感器具(jù)備通用(yòng)性、耐高溫(wēn)、抗振(zhèn)性強和(hé)信噪比(bǐ)高的特點(diǎn)，既可用于(yú)渦街流量計又可用(yòng)于本(běn)流量(liàng)計。旋渦檢(jiǎn)測傳感器(qì)内部封裝的(de)壓電晶(jīng)體爲居(jū)裏(lǐ)點溫度在(zài)1200℃的铌酸锂單晶(jīng)體,從(cóng)根本(běn)上保證了傳感(gǎn)器耐高(gāo)溫(wēn)400℃的性(xìng)能;采用内部無(wú)填充結構、封裝工藝和剛性铠(kǎi)裝導線結構形(xíng)式，保證了(le)傳感(gǎn)器具有(yǒu)很高的信噪(zào)比和抗振(zhèn)性。該設計也是本課題的基礎(chǔ)所在，采用渦街(jiē)流量(liàng)傳(chuán)感器配(pèi)套方(fāng)案使(shǐ)得該(gāi)流量(liàng)計保留了(le)渦街流量計全部的(de)優(yōu)點。
1.5信号(hào)處理和(hé)流量積算儀(yí)
　　由于流量(liàng)傳感(gǎn)器采用了(le)壓電(diàn)式渦(wō)街流量傳感(gǎn)器(qì)，所以(yǐ)信号變送器、流(liú)量計積算(suàn)儀和 渦(wō)街流量計 的(de)設計相同(tóng)。由信(xìn)号處(chù)理和流量(liàng)積算(suàn)儀組成的電氣(qì)系統結構框圖如圖3所示(shì)。
 
　　渦街(jiē)流量傳感(gǎn)器輸出的(de)電荷(hé)信号經電荷放(fàng)大器(qì)轉換爲電(diàn)壓信(xìn)号,再通過(guò)電壓放大器、低(dī)通濾波器和電(diàn)壓跟随(suí)器的濾(lǜ)波放(fàng)大與整形後輸(shū)出脈沖信(xìn)号進入單片機;單片機采(cǎi)用16位(wèi)超低(dī)功耗msp430s系列(liè)芯片,使(shǐ)得該流(liú)量計(jì)具有雙電(diàn)源供電功(gōng)能,輸(shū)出信号有(yǒu)三線(xiàn)制脈沖(chòng)、兩/三線(xiàn)制4~20ma電流兩種,還(hái)具有rs485通信(xìn)功能(néng)等,充分滿足各(gè)種工業計(jì)量場(chǎng)合的需(xū)求。
2測試(shì)與應(yīng)用
　　評(píng)定流量計性能指标(biāo)主要有4個參數(shù):k系數、量程比、重(zhòng)複性和(hé)精度等(děng)級。其中,k系(xì)數是(shì)指一個測量周(zhōu)期内,流量計(jì)輸(shū)出的(de)脈沖(chòng)數與(yǔ)流過流量計的(de)相應流體(tǐ)總體積之(zhī)比,每台流(liú)量計都(dōu).有(yǒu)一個(gè)對應(yīng)的平(píng)均k系(xì)數,一般(bān)都是通(tōng)過實(shí)流标定得(dé)出的;量(liàng)程(chéng)比是(shì)指流量計可測(cè)最大流(liú)量(liàng)值與(yǔ)最小流量值的(de)比值;重複(fú)性是(shì)指在相同測量(liàng)條件下(xià),重複測(cè)量同(tóng)一個被測(cè)量,測量儀(yí)器提供相(xiàng)近(jìn)示值的(de)能力(lì);精度等級是指符(fú)合(hé)一定的計量要(yào)求，使誤差(chà)保持在規(guī)定極限以内的(de)測量儀器的等(děng)别或級别(bié)。
　　根據(jù)上述測(cè)試性能(néng)指标，對(duì)該方案研制的dn25mm、dn32mm和(hé)dn50mm共3種(zhǒng)口徑的樣機一批共10台進(jìn)行測(cè)試，10台(tái)樣(yàng)機啓停質量法水流量标準裝置上全部(bù)通過0.5級合格(gé)檢定,特别是重複性指标，全部(bù)優于0.1%。其(qí)中一台dn25mm口徑樣機的标(biāo)定結果見表1,其(qí)量程(chéng)比達15:i,最小(xiǎo)流速測到(dào)0.28m/s,量程(chéng)範圍明(míng)顯高于(yú)同口徑的(de)各種(zhǒng)容積式流量計(jì),精度等級(jí)高于渦街流量(liàng)計等(děng)其他普(pǔ)通(tōng)速度式流(liú)量計。
 
　　2014年，國(guó)内(nèi)某核電站定(dìng)制了(le)一台dn25mm口徑(jìng)液體旋渦流量(liàng)計，用(yòng)于(yú)計量含(hán)結晶和顆粒物(wù)的核廢液(yè),經用(yòng)戶現場标定(dìng)其(qí)精度(dù)等級達到(dào)0.4;另一(yī)化工(gōng)企業(yè)用戶的一台dn25mm口(kǒu)徑(jìng)液體旋渦流(liú)量計,用于計(jì)量(liàng)150℃下的(de)甲基(jī)鄰苯(běn)二铵(ǎn)有機液流(liú)量,介(jiè)質(zhì)粘(zhān)度150mpa.s,用戶現場實.流标(biāo)定其(qí)精(jīng)度等級(jí)達到(dào)0.5級。
3結束語
　　設計的基于渦(wō)街流量傳感器(qì)的液體旋渦流(liú)量計吸收了容(róng)積式流(liú)量(liàng)計、渦(wō)街流(liú)量(liàng)計及文丘裏(lǐ)管流量計(jì)等多種技術或(huò)性能的優點,該(gāi)流量計所采用(yòng)的關鍵部(bù)件一(yī)通用渦街流量(liàng)傳感器(qì)技術已(yǐ)獲國(guó)家專利授(shòu)權,整機技術可測液(yè)體(tǐ)旋渦流(liú)量計也(yě)已(yǐ)獲國(guó)家專利0，是結構(gòu)簡.單、整機(jī)零部(bù)件少、制造成本低和(hé)機(jī)電(diàn)一體智能(néng)化(huà)的液體(tǐ)流量(liàng)計，樣機測(cè)試和(hé)用戶的實(shí)際應.用(yòng)都(dōu)證實其測(cè)量(liàng)精度較(jiào)高。該流量計還适用(yòng)于有特殊(shū)要求(qiú)的計(jì)量場合。  

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