摘要：為克服液體容積式流量計的缺陷，在卡門渦街原理和創(chuàng)新的基礎(chǔ)上,基于渦街流量傳感器的精度高液體旋渦流量計。實際應(yīng)用表明:該旋渦流量計具有精度高、量程寬及對前后直管段要求低等優(yōu)點，可應(yīng)用于環(huán)境苛刻的計量場合。
液體流量計主要以液體容積式流量計“為主，如橢圓齒輪流量計、螺旋轉(zhuǎn)子流量計及羅茨流量計等,其共同點是精度較高且有一對轉(zhuǎn)子，系機(jī)械式流量計;但量程窄、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件加工精度高、材料成本高、可動部件的轉(zhuǎn)子易磨損、壓力損失大、易卡滯、不能計量含顆粒物或結(jié)晶的液體、不耐高溫及不能用蒸汽吹掃等缺陷，因此適用場合非常有限。普通旋渦流量計指渦街流量計，但其精度很難達(dá)到一-級以上,對前后直管段等安裝工藝的要求也較高,而且可測液體流速較高;渦輪流量計結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有轉(zhuǎn)動的渦輪轉(zhuǎn)子和軸承，對零部件加工精度要求高,也不耐高溫,不能測量易結(jié)晶流體。
目前工業(yè)生產(chǎn)中對精度高、安裝要求低、性能可靠、適用范圍廣的高品質(zhì)流量計的需求越來越多。為克服液體容積式流量計的缺陷,在卡門渦街原理和技術(shù)創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，研制基于渦街流量傳感器的液體旋渦流量計。
1液體旋渦流量計①
1.1計量原理
液體旋渦流量計的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。測量管表體的剖視圖如圖2所示，可見其為三段式結(jié)構(gòu)。
測量管表體與流體輸送管相連，流體流入測量管表體,通過旋渦發(fā)生體的流體分散6處沿偏角的葉片向前流動,并產(chǎn)生繞管道中心軸旋轉(zhuǎn)的脈動旋渦流繼續(xù)流動,隨著縮口段的減小，脈動旋渦流的流速越來越大，到達(dá)直管段時流速最大，并經(jīng)直管段的二次整流后脈動流最強(qiáng)、最穩(wěn)定，且環(huán).繞管壁處的流速最大;此時插入安裝在直管段的旋渦檢測傳感器檢測到旋渦流的脈動頻率，該脈動頻率和流體流速成良好的線性關(guān)系，旋渦檢測傳感器輸出相應(yīng)頻率的電信號到信號處理與積算顯示儀后進(jìn)行信號處理并準(zhǔn)確計算出流體流量;計量過的旋渦流經(jīng)消旋器消旋整流成無旋渦的流體流往下游管道。
1.2旋渦發(fā)生體
旋渦發(fā)生體的不同于三角柱或梯形柱田渦街旋渦發(fā)生體,它是在-一個小直徑圓柱體上圓周螺旋分布安裝6個直葉片,6個直葉片沿圓周均勻分布且與中心軸呈40°偏角。這種特殊結(jié)構(gòu)的旋渦發(fā)生體既是旋渦流的發(fā)生體，又具有流動調(diào)整器的作用,因此經(jīng)過該旋渦發(fā)生體產(chǎn)生的旋渦流場更穩(wěn)定、更強(qiáng)，旋渦流對安裝在后面的流量傳感器作用力也更大,有利于流量信號的檢測，也從根本上保證了流量計具有良好的重復(fù)性”;此特征也是作為液體旋渦流量計的首要和必要條件;該結(jié)構(gòu)特點也使該流量計不僅對安裝工藝要求低，特別是對前后直管段長度的要求更低(前直管段3D~5D,后直管段1D~2D),而且可以抑制上游脈動流、紊流0、管道振動和流體氣穴的干擾,這是渦街流量計與其他速度式流量計所不具備的。另外,該部件整體采用不銹鋼材料，可耐高溫耐腐蝕。
1.3測量管表體
測量管表體是具有特殊結(jié)構(gòu)和尺寸的三段式直通管，全部采用不銹鋼制成;表體內(nèi)通道形狀像經(jīng)典的文丘里管,但與其作用有本質(zhì)區(qū)別，此處結(jié)構(gòu)不同于文丘里管獲得上下游符合特定函數(shù)規(guī)律的壓差參數(shù)，而是獲得一個適度的壓差和流體的加速作用，起到對旋渦流體二次整流的作用，二次整流過的旋渦流脈動更強(qiáng),旋渦傳感器就是檢測此時的旋渦流脈動。另外，此三段式流體通道的壓損較小,對流量計的流量特性曲線有調(diào)整功能，在結(jié)合大量實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上優(yōu)化計算出一套尺寸參數(shù)，按此尺寸設(shè)計的流量計在較寬的流量范圍仍具有很高的線性度,這個特征是作為流量計能保證的關(guān)鍵;直管段部分的直徑比參數(shù)的設(shè)計值大于0.7,從而在滿足精度要求的同時實現(xiàn)流通截面最大化，從根本.上減小工作時的壓損，后期實驗驗證壓損僅為同口徑容積式流量計的20%~30%，節(jié)能效果明顯;該設(shè)計也保證了整個流體管道內(nèi)光滑流線無死角,不會造成堵塞及介質(zhì)留存等現(xiàn)象,可用于易結(jié)晶、含顆粒物、非潔凈液體或具有衛(wèi)生潔凈要求的液體計量。
1.4旋渦檢測傳感器
(簡稱傳感器),該傳感器采用高溫鈮酸鋰壓電晶體技術(shù)040、探頭內(nèi)腔無填充材料結(jié)構(gòu)、抽真空全氬弧焊接密封技術(shù)及剛性的金屬鎧裝導(dǎo)線等新材料和新工藝技術(shù)制成;探頭也采用不銹鋼材料制成。該傳感器具備通用性、耐高溫、抗振性強(qiáng)和信噪比高的特點，既可用于渦街流量計又可用于本流量計。旋渦檢測傳感器內(nèi)部封裝的壓電晶體為居里點溫度在1200℃的鈮酸鋰單晶體,從根本上保證了傳感器耐高溫400℃的性能;采用內(nèi)部無填充結(jié)構(gòu)、封裝工藝和剛性鎧裝導(dǎo)線結(jié)構(gòu)形式，保證了傳感器具有很高的信噪比和抗振性。該設(shè)計也是本課題的基礎(chǔ)所在，采用渦街流量傳感器配套方案使得該流量計保留了渦街流量計全部的優(yōu)點。
1.5信號處理和流量積算儀
由于流量傳感器采用了壓電式渦街流量傳感器，所以信號變送器、流量計積算儀和渦街流量計的設(shè)計相同。由信號處理和流量積算儀組成的電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。
渦街流量傳感器輸出的電荷信號經(jīng)電荷放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號,再通過電壓放大器、低通濾波器和電壓跟隨器的濾波放大與整形后輸出脈沖信號進(jìn)入單片機(jī);單片機(jī)采用16位超低功耗MSP430s系列芯片,使得該流量計具有雙電源供電功能,輸出信號有三線制脈沖、兩/三線制4~20mA電流兩種,還具有RS485通信功能等,充分滿足各種工業(yè)計量場合的需求。
2測試與應(yīng)用
評定流量計性能指標(biāo)主要有4個參數(shù):K系數(shù)、量程比、重復(fù)性和精度等級。其中,K系數(shù)是指一個測量周期內(nèi),流量計輸出的脈沖數(shù)與流過流量計的相應(yīng)流體總體積之比,每臺流量計都.有一個對應(yīng)的平均K系數(shù),一般都是通過實流標(biāo)定得出的;量程比是指流量計可測最大流量值與最小流量值的比值;重復(fù)性是指在相同測量條件下,重復(fù)測量同一個被測量,測量儀器提供相近示值的能力;精度等級是指符合一定的計量要求，使誤差保持在規(guī)定極限以內(nèi)的測量儀器的等別或級別。
根據(jù)上述測試性能指標(biāo)，對該方案研制的DN25mm、DN32mm和DN50mm共3種口徑的樣機(jī)一批共10臺進(jìn)行測試，10臺樣機(jī)啟停質(zhì)量法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上全部通過0.5級合格檢定,特別是重復(fù)性指標(biāo)，全部優(yōu)于0.1%。其中一臺DN25mm口徑樣機(jī)的標(biāo)定結(jié)果見表1,其量程比達(dá)15:I,最小流速測到0.28m/s,量程范圍明顯高于同口徑的各種容積式流量計,精度等級高于渦街流量計等其他普通速度式流量計。
2014年，國內(nèi)某核電站定制了一臺DN25mm口徑液體旋渦流量計，用于計量含結(jié)晶和顆粒物的核廢液,經(jīng)用戶現(xiàn)場標(biāo)定其精度等級達(dá)到0.4;另一化工企業(yè)用戶的一臺DN25mm口徑液體旋渦流量計,用于計量150℃下的甲基鄰苯二銨有機(jī)液流量,介質(zhì)粘度150mPa.s,用戶現(xiàn)場實.流標(biāo)定其精度等級達(dá)到0.5級。
3結(jié)束語
設(shè)計的基于渦街流量傳感器的液體旋渦流量計吸收了容積式流量計、渦街流量計及文丘里管流量計等多種技術(shù)或性能的優(yōu)點,該流量計所采用的關(guān)鍵部件一通用渦街流量傳感器技術(shù)已獲國家專利授權(quán),整機(jī)技術(shù)可測液體旋渦流量計也已獲國家專利0，是結(jié)構(gòu)簡.單、整機(jī)零部件少、制造成本低和機(jī)電一體智能化的液體流量計，樣機(jī)測試和用戶的實際應(yīng).用都證實其測量精度較高。該流量計還適用于有特殊要求的計量場合。
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