射流流量傳感器與射流電子水表

射流流量傳感器與射流電子水表射流流量傳感器以及射流電子水表利用流體在射流計(jì)量腔中產(chǎn)生與其流速成正比的雙穩(wěn)態(tài)振蕩這一原理而構(gòu)成，是近年來(lái)水流量測(cè)量領(lǐng)域中的新產(chǎn)品。由于射流流量傳感器的計(jì)量腔內(nèi)無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，內(nèi)表面采用摩擦系數(shù)極低的工程塑料材料和優(yōu)化的腔體結(jié)構(gòu)等技術(shù)，因此射流流量傳感器具有使用壽命長(zhǎng)，腔體不結(jié)垢、不堵塞，制造成本低，射流計(jì)量腔體可一次注塑成型，批量生產(chǎn)產(chǎn)品特性一致性好等特點(diǎn)。等同采用國(guó)外水表先進(jìn)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的新國(guó)標(biāo)（GB/T778.1?3—2007）已將傳統(tǒng)機(jī)械水表、帶電子裝置的機(jī)械水表以及采用電和電子原理的新穎電子水表等均列入水表產(chǎn)品序列，使水表產(chǎn)品門(mén)類和品種更加全面、技術(shù)來(lái)源更加多樣、產(chǎn)品性能更加優(yōu)越。水表新國(guó)標(biāo)的頒布實(shí)施給射流電子水表有了正式“身份”，同時(shí)也有了可以遵循和驗(yàn)收的技術(shù)指標(biāo)和試驗(yàn)方法，為射流流量傳感器和射流電子水表的性能提升與發(fā)展指明了方向。圖1為寧波水表股份有限公司首創(chuàng)并研制的DN15與DN20的射流水表?！鴪D人射流水表外形圖1、射流流量傳感器射流流量傳感器通常由射流計(jì)量（振蕩）腔和振蕩信號(hào)檢測(cè)電路兩部分所組成。射流計(jì)量腔的作用是將被測(cè)流體引入腔體并使其產(chǎn)生穩(wěn)定而持續(xù)的雙穩(wěn)態(tài)振蕩；振蕩信號(hào)檢測(cè)電路的作用則是將與被測(cè)流體振蕩頻率成比例的流速信號(hào)通過(guò)一定的傳感原理及相應(yīng)的敏感元件將其檢出并做信號(hào)預(yù)處理，供后續(xù)信號(hào)處理單元使用，最終得到被測(cè)管道中流體的流速、流量以及累積流量等參數(shù)。射流腔的結(jié)構(gòu)形式有多種，其中有代表性結(jié)構(gòu)的射流腔的主要特點(diǎn)是在小流量測(cè)量條件下（即雷諾數(shù)較小時(shí)）能很好地起振并持續(xù)等幅振蕩，因此具有小的始動(dòng)流量值，特別適合于流量測(cè)量范圍要求較寬的電子水表應(yīng)用。

當(dāng)封閉管道中的水流體進(jìn)入射流計(jì)量腔時(shí)，由于射流的附壁效應(yīng)和控制射流反饋原理，使水流體在射流計(jì)量腔中振蕩，該振蕩頻率在一定的流量范圍內(nèi)與流經(jīng)管道流體的流速或體積流量成正比，且不受流體的物理性質(zhì)等影響，見(jiàn)下式或苕或苕式中：v—射流腔噴射口處流體平均流速值，m/s；d—與射流腔特征尺寸有關(guān)的參數(shù)；Sr—Strouhal數(shù)；f—射流振蕩頻率；qv—流過(guò)噴射口的體積流量值，m3/h；S—射流噴射口截面積，m2。在射流腔主通道或反饋通道上設(shè)置電磁速度式敏感元件或壓電壓力式敏感元件，可以將流體振蕩頻率檢出并送后續(xù)信號(hào)處理電路作進(jìn)一步處理。對(duì)流體在射流腔中的振蕩過(guò)程作如下描述：管道水流體進(jìn)入射流腔進(jìn)水孔并在其噴嘴口處形成射流噴射體；射流噴射體在通過(guò)主通道時(shí)，由于受到射流附壁效應(yīng)和隨機(jī)干擾影響，流體就會(huì)沿著兩個(gè)對(duì)稱側(cè)壁中的任意一個(gè)側(cè)壁前行；在分流劈的阻擋下，流體會(huì)在分流劈與其中一個(gè)側(cè)壁之間通過(guò)，其中大部分流體流向出水孔并最后流出射流腔，少部分流體則通過(guò)兩個(gè)對(duì)稱反饋通道中的同一側(cè)通道流回主通道；反饋回來(lái)的流體會(huì)改變主通道射流噴射體的流動(dòng)方向，使其偏向另一側(cè)壁并在分流劈和另一側(cè)壁之間流過(guò)。同樣情形，大部分流體又會(huì)流出出水孔，少部分流體通過(guò)另一反饋通道又流回到主通道并改變射流噴射體的流動(dòng)方向；這樣周而復(fù)始進(jìn)行下去，就會(huì)在射流腔中形成穩(wěn)定的射流振蕩，它與雙穩(wěn)態(tài)振蕩器的工作原理非常相似。射流振蕩頻率在雷諾數(shù)大于某一數(shù)值時(shí)與管道中水流體的流速或體積流量成線性關(guān)系。A圖N射流計(jì)量腔外影圖2、 信號(hào)處理現(xiàn)以電磁速度式信號(hào)檢測(cè)原理為例說(shuō)明信號(hào)檢測(cè)的工作過(guò)程。射流振蕩頻率f是由感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E的周期變化反映的。射流振蕩幅值Emax既是射流腔信號(hào)檢測(cè)電極幾何位置w的函數(shù)，又是射流振蕩頻率f的函數(shù)。計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬結(jié)果表明，在相同的管道流速條件下，處于射流腔內(nèi)部不同位置的振蕩流體，其流動(dòng)速度是不同的，因此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也不相同；當(dāng)管道中流速變化時(shí)，射流振蕩頻率也會(huì)隨之改變。射流振蕩頻率越低，射流體切割磁力線的運(yùn)動(dòng)速度就越慢，檢測(cè)到的信號(hào)幅值就越小。反之，頻率越高，速度就越快，信號(hào)幅值就越大。信號(hào)檢測(cè)方式可以是單端形式，也可以是差動(dòng)形式，差動(dòng)信號(hào)輸出幅值是單端形式的2倍。已知射流體在計(jì)量腔中按正弦規(guī)律振蕩，可用下式分別描述兩路相位相反的單端輸出信號(hào)E1和E2：V_j o= ⑶sin（2眄門(mén)）-Eg仙門(mén)血（加經(jīng)養(yǎng)動(dòng)放大器放大后的信號(hào)輸出為:￡二 （5}式中：E—差動(dòng)輸出射流振蕩信號(hào)電動(dòng)勢(shì)，V；Emax（w、f）—射流振蕩幅值信號(hào)，V；①、f—射流振蕩時(shí)的角頻率和頻率，rad/s、Hz=2nf）；w—位置參數(shù)。3、 射流水表射流水表是在射流流量傳感器基礎(chǔ)上增加信號(hào)處理單元等構(gòu)成的。信號(hào)處理單元按用水計(jì)量要求對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行累積流量（即用水體積量）、平均瞬時(shí)流量等的計(jì)算，在通信接口硬件電路及通信軟件（如通信協(xié)議等）的支撐下，將處理得到的計(jì)量數(shù)據(jù)以有線傳輸或無(wú)線傳輸方式發(fā)送到控制終端，完成計(jì)量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳任務(wù)，同時(shí)還將計(jì)量數(shù)據(jù)在射流水表電子顯示器上加以顯示。在由射流流量傳感器構(gòu)成的射流電子水表工作原理框圖中，它除了流量傳感單元外，還包括信號(hào)處理單元（由模擬與數(shù)字信號(hào)處理、數(shù)據(jù)運(yùn)算及顯示、數(shù)據(jù)通信等電路組成）。當(dāng)采用恒磁勵(lì)磁電磁檢測(cè)方法時(shí)，信號(hào)處理單元還應(yīng)包括信號(hào)調(diào)制電路等部分。4、應(yīng)用與特性射流電子水表當(dāng)前主要應(yīng)用場(chǎng)合是戶用小口徑供水管網(wǎng)的用水計(jì)量，而戶用小口徑供水管網(wǎng)水表則是城鎮(zhèn)和農(nóng)村居民用水貿(mào)易結(jié)算的主要工具。隨著高能供電電池技術(shù)和微功耗電路設(shè)計(jì)技術(shù)的逐步成熟，射流電子水表的使用壽命可以達(dá)到數(shù)十年之久，電池使用壽命也可達(dá)到近十年的水平。由于射流電子水表具有良好的使用特性、優(yōu)越的測(cè)量性能及較高的性價(jià)比，因此可以確信它的應(yīng)用前景是非常光明的。射流電子水表既有許多特色優(yōu)勢(shì)，但也有一定的局限性，女口：大流量測(cè)量受到射流腔壓力損失的限制而不能持續(xù)提咼；始動(dòng)流量受到被測(cè)流體粘性力作用不起振的制約等。目前，寧波水表股份有限公司研制的DN20射流電子水表性能已能達(dá)到的較好水平。提升射流水表小流量測(cè)量特性的關(guān)鍵點(diǎn)：1）射流計(jì)量腔在低雷諾數(shù)流體條件下（如102量級(jí)）是否仍能正常起振；2）在流體振蕩幅值很弱（微伏級(jí)電壓）、振蕩頻率很低（10-1?10-2Hz）條件下能否保證有用信號(hào)的有效檢測(cè)與處理。由于射流水表的結(jié)構(gòu)限制，當(dāng)被測(cè)管道流量超過(guò)它的使用上限，就會(huì)使射流水表的壓力損失大大增加，因此射流水表目前主要還是在小口徑管網(wǎng)上流量不大條件下使用為主。如要在大口徑管網(wǎng)的大流量條件下使用，則應(yīng)采用分流形式結(jié)構(gòu)，使其能滿足大流量測(cè)量的需要。式（6）是其體積流量與射流腔振蕩式中：詐牙獰硏胡（6）K1—射流振蕩腔調(diào)整系數(shù)；K2—文丘里差壓管調(diào)整系數(shù)；采用文丘里管差壓原理的分流式射流流量傳感器，在減少了傳感器測(cè)量管壓力損失的同時(shí)也擴(kuò)大了傳感器流量測(cè)量的上限值。5、結(jié)論射流流量傳感器以及射流電子水表的研制成功，標(biāo)志著我國(guó)在利用電或電子原理構(gòu)成新穎水流量傳感技術(shù)以及新穎電子水表產(chǎn)品方面有了新的起步