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新型射流流量计的技术探讨形成国内流量测量领域的新突破

作者: 来源: 发布时间:2018-02-03 12:42:56

  射流流量计的出现源于射流技术的发展。射流技术在年代和年代曾经发展相当迅速。当初的研究者们成功地用流体实现了当今数字电路实现的“与”及“或”等逻辑功能,并曾经试图用射流元件构造数字逻辑电路甚至数字计算机。虽然射流元件在理论上很简单,然而研究者们很快发现这种元件的流体力学原理比原来料想的要复杂得多,加上集成电路技术的出现和迅速发展,射流技术的研究热潮逐渐冷却。在这场大规模的技术研究中也有一些技术得到了实用,射流流量计就是其中一项实用的技术。
  射流流量计和涡街流量计、旋进旋涡流量计同属于流体振荡流量计,它们的发展基本上是同步的,都是年代末期发展起来的。
  射流流量计是一种利用附壁效应也称科恩达效应、,形成的双稳元件,并附加反馈通道而发生振荡,其振荡频率和被测流体的流量成比例,所以只要测得振荡频率就可以获得流量值。
  利用射流原理测量流量的方案种类很多,但大部分并不实用。如利用射流张弛振荡原理测量流量,利用射流剪切原理测量流量在实验室通过了原理试验,但最终并没有商品化,只有利用附壁效应的方案得到了实用化,其中三畅仪表研制的利用附壁效应的射流流量计自从年代初投放市场以来至今仍在大量销售,在国内也曾有过代销点。在射流流量计的基本结构形式被确定以后,年代和年代的研究集中在扩大量程范围,减小体积等。
  目前,市场上的射流流量计产品种类较少。在国外,真正投入生产应用的主要是美国公司研制的型射流流量计和型射流流量计,用于测量小流量高粘度的流体,这属于射流流量计产品中比较成功的一种。近年来,在美英等发达国家,射流流量计正逐步被用作家用煤气表和家用水表,且应用范围和影响不断扩大。可以预见,射流流量计在民用业上有着很好的应用前景。
  国内对射流流量计的研究尚属罕见,而涡街流量计已经严重供过于求。开展对新型射流流量计的研究将会形成国内流量测量领域的新突破。

1、射流流量计的原理:
  射流流量计在壳体内设置两块侧壁面,当流体由喷嘴形成一条射流时,并从左面进入作用腔,由于附壁效应附壁效应源于自由射流和侧壁之间低压区的形成。当自由射流经过侧壁的时候,附近区域的部分流体介质被射流带走,从而使这个区域的压力降低。在不稳定平衡状态下,外界稍微的扰动将会在两侧产生压差,压差使得射流开始向一个侧壁面偏转。当越来越多的介质流体被射流`带走,射流也会越来越向此侧壁面偏转,直到粘附在侧壁面,流束可随意地依附两个渐扩的侧壁面中的任何一个,来自侧壁面的一小股流束被转向到反馈腔、从而使反馈通道中的介质扩散,从控制喷口返回作用腔中的主射流。当控制喷嘴的流量由零增至最大值时,是一个完整的循环工作过程,而且影响着主射流,使其偏向另一个侧壁面,开始了另一个反馈循环。如此循环往复,主射流中就会有一小部分分流在上下两个反馈腔中来回振荡。如下图所示1.9:


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图1.9射流流量计剖视示意图


  根据方程有一吹·,一式中,称为数,又称为斯特劳哈准则'刀。该准则是在研究非定常流动时要用到的谐时性准则,该准则反映了流动的非定常性影响,它表示流动参数的局部变化率与迁移变化率的比值。是一个与流体振动振幅有关的尺寸系数,则是射流喷嘴出口流体的流速,是流体振荡频率。在较宽的流体流速和密度范围内,数基本恒定,所以射流流量传感器中振荡频率与其体积流量呈线性关系。所以只要测出振动频率就可以获得流量值。正如最初的涡街流量计是用温度传感器热敏电阻或铂电阻作为检测元件一样,这种射流流量计最初也使用温度传感器,但后来改用压力传感器以获取更大的通用性。传感器只需安装在一个反馈回路中,并和反馈腔的内壁面齐平,在这种结构中,对于每一次振动循环,反馈流间断地通过传感器末端。传感器输出信号的变化频率与流体的振荡频率相同,并与流量大小成正比。

2、射流流量计的优点:
  射流流量计和涡街流量计、旋进旋涡流量计同属于流体振荡流量计。它具有流体振荡型流量计的共同特点,如前文所述。
 射流流量计与涡街流量计相比一个突出的优点是它能在远低于后者要求的雷诺数下稳定起振。尽管同样是采用了流体振荡技术的涡街流量计满足了工业应用中的大部分性能要求,但其仍然存在一定的局限性。当工业管道直径较小、流体流速约米秒时,流体的雷诺数降至左右,此时,一般的涡街流量计便可能无法运行。对于射流流量计,采取适当的结构可以使其运行下限所对应的流体雷诺数降至甚至以下,。它除具有涡街流量计的性能优点外,而且更加牢固、可靠,测量范围更宽。同时,射流流量计以射流技术为基础,因而还继承了射流技术的众多优点。但是射流流量计内部结构较涡街流量计复杂得多,因而射流流量计的压力损失也比涡街流量计要大很多。
    经归纳,射流流量计具有以下优点:
   1)得到与流量成正比的频率信号,输出信号容易放大; 
   2)采取适当的结构时,在雷诺数低至100以下,仍可运行,测量下限极低,特别适于高粘度、小口径、低流速的小流量测量; 
   3)量程比较大(可达50:1),测量范围宽,若需要改变流量计的测量范围,只要改变接受振动信号仪表的频率范围即可;
   4)被测流体本身就是振动体,无机械可动部件,故不受振动和加速度的影响,有较强的抗干扰能力,稳定性高,可测微小流量;
   5)几乎不受流体组成、密度、粘度、压力等因素的影响,可在高温、辐射等恶劣环境下工作; 
   6)与节流流量计相比它的压力损失小;
   7)对较低的气体流速也敏感; 
   8)反馈信号易于测量和转换,传感器置于反馈通道内,与主射流相隔离,即可减少磨损,又能提高使用寿命;
   9)直接数字输出,稳定可靠、响应速度快,集成化,易于安装,结构简单,维护方便,费用省; 
   10)成本低,便于制成本质安全防爆型。

3、射流流量计的局限性:
   尽管射流流量计有以上很多优点,但也存在着一些局限性,这些局限性阻止了射流流量计在工业计量中的广泛应用。
    1)射流流量计在中高速区段振动频率和流速之间呈现良好的比例关系,但在低速区段频率和速度之间有一定的非线性。这是因为,只有当斯特劳哈数为常数时,流体的振动频率才与流速成正比,而斯特劳哈数与雷诺数有关,只有当雷诺数在一定范围内时,斯特劳哈数才为常数;雷诺数较小时,斯特劳哈数发生变化。
   2)射流流量计内部流道结构通常较复杂,流体与壳体内壁的碰撞、流体之间的碰撞、流动通道内侧分离区产生的旋涡等均会损耗一部分的能量:流体振动本身更会引起能量损失的主要原因,因而流量较大时会使系统产生很大压差,高压损失大。
   3)结构上较涡街流量计等复杂,且由于流动的非定常性和附壁的随意性,很难建立精确的数学模型,亦无定性甚或定量的分析研究准确显示出结构形式和尺寸参数与射流流量计性能之间的关系,往往只能依靠一些经验数据和主观推测进行设计,给结构设计、性能预测以及性能优化带来一定的困难。
   4)虽然射流流量计理论上可以测量很低流速下的流量,但是现有的射流流量计往往远达不到其理论计量下限,无法充分发挥在测量小流量方面的根本优势。当雷诺数较小时,粘性力逐渐占据了统治地位,使振荡减弱:另外引起了涡流扩散增加,随着涡流的减弱,由其引起的速度场也减弱,同样使得振荡减弱;再加上由于管道振动和上游管道流量脉动干扰的存在,这种情况下,流体很难产生稳定的射流附壁和交替振荡,极大的限制了流量计的量程范围。
   5)实际的信号频率成份复杂,须设计电路对信号进行滤波和放大等处理,从而给振荡频率的探测带来不便。
   6)现有的射流流量计信噪比较低,外界环境对流量计内部流体的干扰不能抑制,在二次仪表中很难将其去掉,明显影响了测量的准确性。

4、射流流量计的应用及性能:
    1)直接应用:
    射流流量计用途广泛。由于结构简单、牢固,对运行环境及流体组成等要求低,可在极低雷诺数下工作等特点,射流流量计适合直接安装在新建的或己有的管道中,可用于测量导电的和不导电的流体;可检测高粘度和小流量的粘稠液体;可使用于燃烧应用中测量冷、热流体混合物以及易产生传感器结垢的应用等等。除此以外,射流流量计还有十分广泛的应用空间。在国外有用于家用煤气表,解决在断电时如何保证煤气的计量和使用的问题;射流流量计也可用于水表等。在所测流量值不大,又需输出电信号的地方都可直接用它。如医用时麻醉气体流量、输氧量、人工肺的流量测量。在消费类产品中也有用处,如在自动控制温度和水流量的热水器中。目前,所设计的射流流量计多用于环境监测中[}ZS}0    图1.9所示为慕尔141型射流流量计的结构示意图,这是一种典型的平面二维结构的射流流量计,其内部流动为平面流动(或二维流动),流场中各点的流体速度都平行于某一固定平面,即流体振动所在平面,且流体振动平面和管道轴线位于同一平面内。这种射流流量计压力损失较小,但是测量下限不够低,无法在较低的雷诺数下运行,因而在需要测量高粘度、小流量流体的场合是不适用的。对于DN25型号的慕尔141型射流流量计,当被测流体为水时,其测量下限约为0.4m/s,测量上限约为7m/s。
 

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图1.10一种典型的平面结构的射流流量计


    图1.10所示为另一种典型的平面结构的射流流量计,这种流量计的压力损失比前一种射流流量计要大,但是测量下限较低,据相关资料称,可在雷诺数低至120的情况下正常运行。
 

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    图1.11所示为慕尔140型射流流量计的剖视示意图和俯视示意图,这是一种空间结构的射流流量计,流体在其内部做三维流动,流体振动平面和管道轴线位于不同平面内。这种射流流量计的优点是测量下限非常低,它不需要流体保持紊流来维持振动,据称可在雷诺数低于75的情况下正常运行,特别适用于高粘度和小流量的测量。然而这种流量计的缺点是内部结构较前两种平面结构的射流流量计复杂,除具有和平面结构射流流量计同样的能量损失外,流体在上升和下降流动中由于与壳体内壁碰撞、与通道内侧分离产生漩涡等原因均会损失一部分的能量,因而压力损失很大,在需要测量较大流量时,一般不采用空间结构的射流流量计。对于DN25型号的慕尔140型射流流量计,其计量下限为雷诺数Re=120,流速下限与被测流体的运动粘度成正比。若被测流体是水,测量流速下限约为O.OOSm/s,若被测流体是粘度较高的流体,那么测量流速下限相应升高。测量流速上限与被测流体的运动粘度无关,约为2m/s。当管道雷诺数大于500时,精度可达士2%;重复性误差为0.25%;当被测流体流速为1.Sm/s时,压力损失约0.7bar。
    在测量大管径工业管道的流量或风洞的流速时,还可以采用射流流量计的分流应用和插入式应用f3ysl。
  2)分流应用
 

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    一般情况下,射流流量计多用于较小流量的测量,而不宜直接用它测量大一些的工业流量,因为由于射流流量计阻力较大,在规定压力损失条件下,要控制大流量,必须增大射流流量计的尺寸,因而测量同样流量时,它的体积要比其他流量计大[39,40]。于是人们提出了将要测流体分流到射流流量传感器测量的设想。英国煤气公司的文丘利分流管式射流流量计就是一例[41,42]。在流体主管道中安装文丘利管进行节流,在文丘利管喷嘴处采用了旁路模式的射流振荡器,在分离面处安装可折叠Ig}。的射流振荡器,从而便于与文丘利管喷嘴处的导出流体喷口相吻合。文丘利管由颈部与尾管两部分组成。颈部固定于管道的两法兰盘之间,为垫片式结构。文丘利尾管部分与颈部相连并在管内沿下游方向逐渐扩展。结构如图1.12所示。
    文丘利管在这里起节流和分流作用。由于文丘利管两端的压力差dP与流量Q有固定关系(QdP ),只要测量分流流量的流量计也具有这种特性,即分流流量Q'dP,,由于d P=dP',则分流流量C与Q成正比关系,通过测量分流即可测得流量值。而折叠射流振流器(即小型射流流量计)的特性正是满足了Q'+dP,m的关.系[43]。折叠流体振荡器其核心就是一个小型射流流量计,它具有与前面所述射流流量计相似的结构。由于此结构采用了旁路模式的流体振荡器,故又称为旁通式射流振荡器。
    选用文丘利管的原因是,文丘利管起着取压、增压和减小压力损失的作用,扩大了测量范围。文丘利喷嘴对获得较宽的流量测量范围起到非常重要的作用,它的主要作用是扩大压力增益系数(压力增益系数=振荡器前后压差/总压力损失)。
   文丘利管在大旁通流量下产生高压力增益系数的能力是关键的。譬如,一种分流式文丘利管式射流流量计,旁通流量为管道流量的1%,压力增益系数为4,根据理论的流量计算,相同压力损失下,使用旁通式射流振荡器的管道流量是直接安装于主管道的射流流量计的200倍[46]。因而,这种旁通式射流振荡器克服了在控制大流量时须对传统射流振荡器进行尺寸放大的问题,较小尺寸的射流振荡器即可控制较大的流量[[36]。
    当流量很小时射流流量计的阻力不再与流过它的流量的平方成正比,确切地说此时它的阻力系数随流量的减小而增大,于是文丘利管中的流量Q和射流流量计中的流量Q,的比例发生变化,即Q,与Q之比值变小,此时可通过修正仪表系数改善小流量时的线性度[47]。
   若把整个装置看成文丘利管流量计,则射流振荡器可视为起着替代差压传感器的作用,既降低了价格,又消除了传统传感器的温漂和零漂问题和涡街流量计相比,分流式射流流量计可测量更低雷诺数下的流量,据相关资料显示,它可在Re低至2 000的条件下稳定工作,而一般涡街流量计则要求Re大于S 00010 000。两者测量上限差不多,所以分流式射流流量计的测量范围或量程比更大[36]。其空气流速测量范围为0.6-30IT1IS(精度士2%以内),而一般涡街流量计可测空气流速下限为3m/s,国内涡街流量计下限不低于9m/s[}o}。另外,它对上下游管路的要求也低一些[48,49,50]。
3)插入应用
 

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    在管道截面较大时,例如在需要多点同时测定的通风系统中,常常会用到插入式的射流流量计。在插入应用时射流传感器实际就是流速计。此时在管道中的射流传感器形成一个绕流体,流体在绕流体上的绕流阻力和射流传感器中的流动阻力会自动平衡[[51,52]。由于在绕流阻力和管道中的流速之间、射流传感器阻力与流量之间都是平方关系,所以管道的流速与射流传感器的流量间呈线性关系。插入式射流流速计性能具有稳定可靠、使用方使、成本低廉的特点[53J。其结构如图1.13所示。
    其中,插杆插在管道内壁,喷嘴方向与管道内流体的流动方向相对。这种射流流量计多用于射流传感器的迎流面与管道的横截面相比小得多的情况。插入式射流流量计特别适用于需多点同时测量的系统中,如厂矿的通风系统的调试和日常监测、环境检测等场合。也可作工业应用,如大管道煤气流量测量中,可在测量断面上同时布置多个传感器,有利于提高测量精度fuel。也可用单个传感器制成便携式风速计。    据有关实验,若管道直径为100~300mm,迎流面为14mmx30mm,对于常温常压下的气体,用热敏法测量,测量流速范围约为1.5~30m/s,流速在Sm/s以下时,精度约为0.1 m/s,流速在Sm/s以上时,精度达1.5%;灵敏度为0.1 m/s;重复性误差为0.2%。对于液体,用压敏法测量,测量流速范围约为1.U--30m/s,流速在Sm/s以下时,精度约为0.1 m/s,流速在Sm/s以上时,精度达1.5%;灵敏度为0.1 m/s;重复性误差为0.2%。实验证明,流速在3m/s以上时线性度较好,在3mls以下时线性度变差[41]0    插入式射流流量计的测量下限不如插入式涡街流量计,更不如热线风速仪。试验表明,当被测流场均匀程度不太好时,例如在靠近管壁处,仍可得到稳定的频率输出,从这个角度看它比插入式涡街流量计的抗干扰性要好[55,56,57]。
 

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