基于渦街流量傳感器的高精度液體旋渦流量計(jì)

王國武 丁必要 趙 靜

(合肥精大儀表股份有限公司，合肥 230088)

高精度液體流量計(jì)主要以液體容積式流量計(jì)[1]為主，如橢圓齒輪流量計(jì)、螺旋轉(zhuǎn)子流量計(jì)及羅茨流量計(jì)等，其共同點(diǎn)是精度較高且有一對轉(zhuǎn)子，系機(jī)械式流量計(jì)；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(jì)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(jì)指渦街流量計(jì)，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(jì)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(jì)的需求越來越多。為克服液體容積式流量計(jì)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高精度液體旋渦流量計(jì)。

1 液體旋渦流量計(jì)①

1.1 計(jì)量原理

液體旋渦流量計(jì)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(shí)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(shí)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)行信號處理并精確計(jì)算出流體流量；計(jì)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。

圖1 液體旋渦流量計(jì)基本結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 測量管表體剖視圖

1.2 旋渦發(fā)生體

本設(shè)計(jì)中的旋渦發(fā)生體的設(shè)計(jì)不同于三角柱或梯形柱[2]渦街旋渦發(fā)生體，它是在一個(gè)小直徑圓柱體上圓周螺旋分布安裝6個(gè)直葉片，6個(gè)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[3～6]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(jì)具有良好的重復(fù)性[7]；此特征也是作為高精度液體旋渦流量計(jì)的首要和必要條件；該結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也使該流量計(jì)不僅對安裝工藝要求低，特別是對前后直管段長度[8，9]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[10]、管道振動和流體氣穴的干擾，這是渦街流量計(jì)與其他速度式流量計(jì)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[11]，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(gè)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(shí)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(jì)的流量特性曲線有調(diào)整功能，在結(jié)合大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上優(yōu)化計(jì)算出一套尺寸參數(shù)，按此尺寸設(shè)計(jì)的流量計(jì)在較寬的流量范圍仍具有很高的線性度，這個(gè)特征是作為高精度流量計(jì)能保證高準(zhǔn)確度[12]的關(guān)鍵；直管段部分的直徑比參數(shù)的設(shè)計(jì)值大于0.7，從而在滿足精度要求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)流通截面最大化，從根本上減小工作時(shí)的壓損，后期實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證壓損僅為同口徑容積式流量計(jì)的20%～30%，節(jié)能效果明顯；該設(shè)計(jì)也保證了整個(gè)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(jì)量。

1.4 旋渦檢測傳感器

旋渦檢測傳感器采用已獲國家專利技術(shù)設(shè)計(jì)的一種通用渦街流量傳感器[13](簡稱傳感器)，該傳感器采用高溫鈮酸鋰壓電晶體技術(shù)[14]、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(diǎn)，既可用于渦街流量計(jì)又可用于本流量計(jì)。旋渦檢測傳感器內(nèi)部封裝的壓電晶體為居里點(diǎn)溫度在1 200℃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(jì)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(jì)保留了渦街流量計(jì)全部的優(yōu)點(diǎn)。

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(jì)積算儀和渦街流量計(jì)的設(shè)計(jì)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MSP430[15]系列芯片，使得該流量計(jì)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(jì)量場合的需求。

2 測試與應(yīng)用

評定流量計(jì)性能指標(biāo)主要有4個(gè)參數(shù)：K系數(shù)、量程比、重復(fù)性和準(zhǔn)確度等級。其中，K系數(shù)是指一個(gè)測量周期內(nèi)，流量計(jì)輸出的脈沖數(shù)與流過流量計(jì)的相應(yīng)流體總體積之比，每臺流量計(jì)都有一個(gè)對應(yīng)的平均K系數(shù)，一般都是通過實(shí)流標(biāo)定得出的；量程比是指流量計(jì)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(gè)被測量，測量儀器提供相近示值的能力；準(zhǔn)確度等級是指符合一定的計(jì)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。

圖3 電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

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)在合肥精大儀表股份有限公司的啟停質(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∶1，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(jì)，準(zhǔn)確度等級高于渦街流量計(jì)等其他普通速度式流量計(jì)。

表1 水流量標(biāo)定結(jié)果

2014年，國內(nèi)某核電站定制了一臺DN25mm口徑液體旋渦流量計(jì)，用于計(jì)量含結(jié)晶和顆粒物的核廢液，經(jīng)用戶現(xiàn)場標(biāo)定其準(zhǔn)確度等級達(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(jì)，用于計(jì)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(shí)流標(biāo)定其準(zhǔn)確度等級達(dá)到0.5級。

3 結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)的基于渦街流量傳感器的高精度液體旋渦流量計(jì)吸收了容積式流量計(jì)、渦街流量計(jì)及文丘里管流量計(jì)等多種技術(shù)或性能的優(yōu)點(diǎn)，該流量計(jì)所采用的關(guān)鍵部件——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)高精度可測液體旋渦流量計(jì)也已獲國家專利[16]，是結(jié)構(gòu)簡單、整機(jī)零部件少、制造成本低和機(jī)電一體智能化的高精度液體流量計(jì)，樣機(jī)測試和用戶的實(shí)際應(yīng)用都證實(shí)其測量精度較高。該流量計(jì)還適用于有特殊要求的計(jì)量場合。

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