摘要(yao)：爲克服(fu)液體容(rong)積式流(liu)量計的(de)缺陷，在(zai)卡門渦(wo)街原理(li)和創新(xin)的基礎(chu)上,基于(yu)渦街流(liu)量傳感(gan)器 的精(jing)度高液(ye)體旋渦(wo)流量計(ji)。實際應(ying)用表明(ming):該旋渦(wo)流量計(ji)具有🛀🏻精(jing)度高、量(liang)程寬及(ji)對前後(hou)直管段(duan)要求低(di)等優點(dian)，可應♌用(yong)于環境(jing)苛刻的(de)計量場(chang)合。
　　液體(ti)流量計(ji) 主要以(yi)液體容(rong)積式流(liu)量計“爲(wei)主，如 橢(tuo)圓齒輪(lun)流量計(ji) 、螺旋轉(zhuan)子流量(liang)計及羅(luo)茨流量(liang)計等,其(qi)共同點(dian)是精度(du)較高且(qie)有一對(dui)轉子，系(xi)機械式(shi)流量計(ji);但量程(cheng)窄、結構(gou)複雜、零(ling)部件加(jia)工精度(du)高、材料(liao)成本高(gao)、可動部(bu)件的轉(zhuan)子易磨(mo)損、壓力(li)損失大(da)、易卡滞(zhi)、不能計(ji)量含🈲顆(ke)粒物或(huo)結晶的(de)液體、不(bu)耐高溫(wen)及不能(neng)用蒸汽(qi)吹掃等(deng)缺陷，因(yin)此适用(yong)場合非(fei)常有限(xian)。普通旋(xuan)渦流量(liang)計指渦(wo)街流量(liang)計，但其(qi)精度很(hen)難達到(dao)一-級以(yi)上,對前(qian)後直管(guan)段等安(an)💰裝工藝(yi)的要求(qiu)也較高(gao),而且可(ke)測液體(ti)流速較(jiao)高; 渦輪(lun)流量計(ji) 結構複(fu)雜，有轉(zhuan)動的渦(wo)輪轉子(zi)和軸承(cheng)，對零部(bu)件加工(gong)精度要(yao)求高,也(ye)不耐高(gao)溫,不能(neng)測量易(yi)結晶流(liu)體。
　　目前(qian)工業生(sheng)産中對(dui)精度高(gao)、安裝要(yao)求低、性(xing)能可靠(kao)、适用範(fan)圍廣的(de)高品質(zhi)流量計(ji)的需求(qiu)越來越(yue)多。爲克(ke)服液體(ti)容積式(shi)流量計(ji)的缺陷(xian),在卡門(men)渦街原(yuan)理🚶‍♀️和技(ji)術創新(xin)的基礎(chu)上，研制(zhi)基于渦(wo)街流量(liang)傳感器(qi)的液體(ti)旋渦流(liu)量計。
1液(ye)體旋渦(wo)流量計(ji)①
1.1計量原(yuan)理
　　液體(ti)旋渦流(liu)量計的(de)基本結(jie)構如圖(tu)1所示。測(ce)量管表(biao)體的剖(pou)視圖如(ru)圖2所示(shi)，可見其(qi)爲三段(duan)式結構(gou)。
 
　　測(ce)量管表(biao)體與流(liu)體輸送(song)管相連(lian)，流體流(liu)入測量(liang)管表體(ti),通過旋(xuan)渦發生(sheng)體的流(liu)體分散(san)6處沿偏(pian)角的葉(ye)片向前(qian)流動,并(bing)産生繞(rao)管🥰道中(zhong)心軸旋(xuan)轉的脈(mo)動旋渦(wo)流繼續(xu)流動,随(sui)着縮口(kou)段的減(jian)小，脈動(dong)旋渦流(liu)的流速(su)越來越(yue)大，到達(da)直管段(duan)時流速(su)最大，并(bing)經直管(guan)段的二(er)次整流(liu)後脈動(dong)流最強(qiang)、最穩定(ding)，且環.繞(rao)管壁🙇🏻處(chu)的流速(su)最大;此(ci)時插入(ru)安裝在(zai)直管段(duan)的旋渦(wo)檢測傳(chuan)感器檢(jian)測到旋(xuan)渦流的(de)脈動頻(pin)率，該脈(mo)動頻率(lü)和流體(ti)流速成(cheng)良好🌈的(de)線性關(guan)系，旋渦(wo)檢測傳(chuan)感器輸(shu)出相應(ying)頻率的(de)電信号(hao)到信号(hao)處理與(yu) 積算顯(xian)示儀 後(hou)進行信(xin)号處理(li)并準确(que)計算出(chu)流體流(liu)量;計量(liang)過🔅的旋(xuan)渦🏃🏻流經(jing)消旋器(qi)消旋整(zheng)流成無(wu)旋渦的(de)流體流(liu)往下遊(you)管道。
1.2旋(xuan)渦發生(sheng)體
　　旋渦(wo)發生體(ti)的不同(tong)于三角(jiao)柱或梯(ti)形柱田(tian)渦街旋(xuan)渦發生(sheng)🔴體,它是(shi)在-一個(ge)小直徑(jing)圓柱體(ti)上圓周(zhou)螺旋💞分(fen)布安裝(zhuang)6個直葉(ye)片,6個直(zhi)葉片沿(yan)圓周均(jun)勻分布(bu)且與中(zhong)心軸呈(cheng)40°偏角。這(zhe)種特殊(shu)結構的(de)旋渦發(fa)生體既(ji)是旋渦(wo)流的發(fa)生體，又(you)具有流(liu)💃動調整(zheng)器的作(zuo)用,因此(ci)經過該(gai)旋渦發(fa)生體産(chan)生的旋(xuan)渦流場(chang)更穩定(ding)、更強，旋(xuan)渦流對(dui)安裝在(zai)後面的(de)流🈲量傳(chuan)感器作(zuo)用力也(ye)☁️更大,有(you)利于流(liu)量信号(hao)的🔱檢測(ce)，也從根(gen)本上保(bao)證了流(liu)量計具(ju)有良好(hao)的重複(fu)性”;此特(te)征也是(shi)作爲液(ye)體旋渦(wo)流量計(ji)的首要(yao)和必要(yao)條件;該(gai)結構特(te)點也使(shi)該流量(liang)計不僅(jin)對安裝(zhuang)工藝要(yao)求低，特(te)别是對(dui)前後♻️直(zhi)管段長(zhang)度的要(yao)求更低(di)🐉(前直管(guan)段3D~5D,後直(zhi)管段1D~2D),而(er)且💋可以(yi)抑制上(shang)遊脈動(dong)流、紊流(liu)0、管道振(zhen)動和流(liu)體氣穴(xue)的幹擾(rao),這🏃是渦(wo)街流量(liang)計與其(qi)他速度(du)式流量(liang)計所⭐不(bu)具備的(de)。另外,該(gai)部🌂件整(zheng)體采用(yong)不鏽鋼(gang)材料，可(ke)耐高溫(wen)耐腐蝕(shi)。
1.3測量管(guan)表體
　　測(ce)量管表(biao)體是具(ju)有特殊(shu)結構和(he)尺寸的(de)三段式(shi)直通管(guan)，全❌部采(cai)用不鏽(xiu)鋼制成(cheng);表體内(nei)通道形(xing)狀像經(jing)典的文(wen)丘💃🏻裏管(guan),但與其(qi)作用有(you)本質區(qu)别，此處(chu)結構🥰不(bu)同于文(wen)丘裏管(guan)獲得上(shang)下遊符(fu)合特定(ding)函數規(gui)律的壓(ya)差參數(shu)，而是獲(huo)得一個(ge)适度的(de)壓差和(he)流體的(de)👈加速作(zuo)用，起到(dao)對旋渦(wo)流體二(er)次整流(liu)的作用(yong)，二次整(zheng)流過的(de)旋渦流(liu)脈動更(geng)強,旋渦(wo)傳感器(qi)就是檢(jian)測此時(shi)的旋渦(wo)流脈動(dong)。另外，此(ci)三段式(shi)流體通(tong)道的壓(ya)✏️損較小(xiao),對流量(liang)計的流(liu)量特性(xing)曲線有(you)調👌整功(gong)能，在♍結(jie)合大量(liang)實驗數(shu)據的基(ji)礎上優(you)化計算(suan)出一套(tao)尺♋寸參(can)數，按此(ci)尺寸🏒設(she)計的流(liu)量計在(zai)較寬的(de)流量範(fan)圍仍具(ju)有很高(gao)的線性(xing)度,這個(ge)特征是(shi)作爲流(liu)量計能(neng)保證的(de)關鍵;直(zhi)管段部(bu)✌️分的直(zhi)徑比參(can)數的設(she)計值大(da)于0.7,從📧而(er)在滿足(zu)精度要(yao)求的同(tong)時⭐實現(xian)流通截(jie)面最大(da)化，從根(gen)本.上減(jian)小工作(zuo)時的壓(ya)損，後期(qi)實驗驗(yan)證壓損(sun)僅爲同(tong)口徑容(rong)積式流(liu)量計的(de)20%~30%，節能效(xiao)果明顯(xian);該設計(ji)也保證(zheng)了整個(ge)流體管(guan)道内光(guang)滑流線(xian)無死角(jiao),不會造(zao)成堵塞(sai)及介質(zhi)🙇‍♀️留存等(deng)現象,可(ke)用于易(yi)結晶、含(han)顆粒物(wu)、非潔淨(jing)液體或(huo)具有衛(wei)生潔淨(jing)要求的(de)液體計(ji)量。
1.4旋渦(wo)檢測傳(chuan)感器
　　(簡(jian)稱傳感(gan)器),該傳(chuan)感器采(cai)用高溫(wen)铌酸锂(li)壓電晶(jing)體技🔴術(shu)040、探💘頭内(nei)腔無填(tian)充材料(liao)結構、抽(chou)真空全(quan)氩弧焊(han)👉接密封(feng)技術及(ji)剛性的(de)金屬铠(kai)裝導線(xian)等新材(cai)料和新(xin)工藝🔞技(ji)術制成(cheng);探頭也(ye)采用不(bu)鏽鋼🎯材(cai)料制成(cheng)。該傳感(gan)器具🈲備(bei)通用性(xing)、耐高溫(wen)、抗振性(xing)強和信(xin)噪比高(gao)的特點(dian)，既可用(yong)于渦街(jie)流量計(ji)又可用(yong)于本流(liu)量計。旋(xuan)渦檢測(ce)傳感器(qi)内部封(feng)裝的壓(ya)電晶體(ti)爲居裏(li)點溫度(du)在1200℃的铌(ni)酸锂單(dan)晶體,從(cong)根本上(shang)保證了(le)傳感器(qi)耐高溫(wen)400℃的性能(neng);采用☔内(nei)部無填(tian)充結構(gou)、封裝工(gong)藝和剛(gang)性铠裝(zhuang)導線結(jie)構形式(shi)，保證❌了(le)傳感器(qi)具有很(hen)高的信(xin)噪比和(he)抗振性(xing)。該設計(ji)也是本(ben)課題的(de)基礎所(suo)🔅在，采用(yong)渦街👨‍❤️‍👨流(liu)量傳感(gan)器配套(tao)方案使(shi)得該流(liu)量計保(bao)留了渦(wo)街流量(liang)計全部(bu)的優點(dian)。
1.5信号處(chu)理和流(liu)量積算(suan)儀
　　由于(yu)流量傳(chuan)感器采(cai)用了壓(ya)電式渦(wo)街流量(liang)傳感器(qi)，所以👣信(xin)号變送(song)器、流量(liang)計積算(suan)儀和 渦(wo)街流量(liang)計 的設(she)計相同(tong)。由信号(hao)處理和(he)流量積(ji)算儀組(zu)成的電(dian)氣系統(tong)🔞結構💋框(kuang)圖如圖(tu)3所示。
 
　　渦(wo)街流量(liang)傳感器(qi)輸出的(de)電荷信(xin)号經電(dian)荷放大(da)器轉換(huan)爲電壓(ya)信号,再(zai)通過電(dian)壓放大(da)器、低通(tong)濾波器(qi)和電壓(ya)跟随器(qi)的濾波(bo)放大與(yu)整形後(hou)輸出脈(mo)沖信✨号(hao)進入單(dan)片機;單(dan)片機采(cai)用16位超(chao)低功耗(hao)MSP430s系列芯(xin)片,使得(de)該流量(liang)計具有(you)雙電源(yuan)供電功(gong)能,輸🥵出(chu)信号有(you)三線制(zhi)脈沖、兩(liang)/三線制(zhi)4~20mA電流兩(liang)種,還具(ju)有RS485通信(xin)功能等(deng),充分滿(man)足各種(zhong)工業計(ji)量場合(he)的需求(qiu)。
2測試與(yu)應用
　　評(ping)定流量(liang)計性能(neng)指标主(zhu)要有4個(ge)參數:K系(xi)數、量程(cheng)比、重複(fu)性和精(jing)♊度等級(ji)。其中,K系(xi)數是指(zhi)一個測(ce)量周期(qi)⭐内,流量(liang)計輸出(chu)的脈沖(chong)數與流(liu)過流量(liang)計的相(xiang)應流🏃‍♂️體(ti)總體🌐積(ji)之比,每(mei)台流🌐量(liang)計都‼️.有(you)一個對(dui)應的平(ping)均K系數(shu),一般都(dou)是通過(guo)實流标(biao)定得出(chu)的;量程(cheng)比是指(zhi)🙇🏻流量計(ji)可測最(zui)大流量(liang)值✉️與最(zui)小流量(liang)值的比(bi)值;重複(fu)性是指(zhi)在相🔅同(tong)測量條(tiao)件下,重(zhong)複測量(liang)同一個(ge)被測量(liang),測量儀(yi)器提供(gong)相近示(shi)值的能(neng)力;精度(du)等級是(shi)指符合(he)一定的(de)計量要(yao)求，使誤(wu)差保持(chi)💃🏻在規定(ding)極限以(yi)内的測(ce)🔴量儀器(qi)的等别(bie)或級别(bie)。
　　根據上(shang)述測試(shi)性能指(zhi)标，對該(gai)方案研(yan)制的DN25mm、DN32mm和(he)DN50mm共3種口(kou)徑的樣(yang)機一批(pi)共10台進(jin)行測試(shi)，10台樣機(ji)啓停質(zhi)量法水(shui)流量标(biao)準裝置(zhi)上全部(bu)通過0.5級(ji)合格檢(jian)定,特别(bie)是重複(fu)性指标(biao)❤️，全部優(you)于0.1%。其中(zhong)一台DN25mm口(kou)徑樣機(ji)的标定(ding)結果見(jian)表1,其量(liang)程比達(da)15:I,最小流(liu)速測到(dao)0.28m/s,量程範(fan)圍🔞明顯(xian)高于同(tong)口徑的(de)各種容(rong)積式流(liu)量🍉計,精(jing)度等級(ji)高于渦(wo)街流量(liang)🐉計等其(qi)他普通(tong)速度式(shi)流量計(ji)。
 
　　2014年，國内(nei)某核電(dian)站定制(zhi)了一台(tai)DN25mm口徑液(ye)體旋渦(wo)流量計(ji)，用于🏃🏻計(ji)量含結(jie)晶和顆(ke)粒物的(de)核廢液(ye),經用戶(hu)現場标(biao)🧡定其精(jing)度等級(ji)達到0.4;另(ling)一化工(gong)企業用(yong)戶的一(yi)台DN25mm口徑(jing)液體旋(xuan)渦流量(liang)計,用于(yu)計量150℃下(xia)的甲基(ji)鄰苯二(er)铵有機(ji)液流量(liang),介質粘(zhan)度150mPa.s,用戶(hu)現場實(shi).流标定(ding)其精度(du)等級達(da)🐪到0.5級。
3結(jie)束語
　　設(she)計的基(ji)于渦街(jie)流量傳(chuan)感器的(de)液體旋(xuan)渦流量(liang)計吸收(shou)了容積(ji)式流量(liang)計、渦街(jie)流量計(ji)及文丘(qiu)裏管流(liu)量計等(deng)多種技(ji)術或性(xing)能的優(you)點,該流(liu)量計所(suo)采用💛的(de)關鍵💰部(bu)件一通(tong)用渦街(jie)流量傳(chuan)感器技(ji)術已獲(huo)國家專(zhuan)利授👨‍❤️‍👨權(quan),整機技(ji)術可測(ce)液體旋(xuan)渦流💋量(liang)計也已(yi)獲國家(jia)專利0，是(shi)結構簡(jian).單、整機(ji)零部件(jian)少、制造(zao)成本🌈低(di)和機電(dian)一體💃智(zhi)能化的(de)液體流(liu)量計，樣(yang)機測試(shi)和用戶(hu)的實👌際(ji)應.用都(dou)證實其(qi)測量精(jing)度較高(gao)。該流量(liang)計還适(shi)用于有(you)特殊要(yao)求的計(ji)量場合(he)。  

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