射流流量传感器与射流电子水表

作者：宁波水表股份有限公司 姚灵

欢迎访问e展厅 展厅 12 流量计展厅 涡轮流量计, 涡街流量计, 旋涡流量计, 电磁流量计, 罗茨流量计, ... 射流流量传感器以及射流电子水表利用流体在射流计量腔中产生与其流速成正比的双稳态振荡这一原理而构成，是近年来水流量测量领域中的新产品。由于射流流量传感器的计量腔内无机械运动部件，内表面采用摩擦系数极低的工程塑料材料和优化的腔体结构等技术，因此射流流量传感器具有使用寿命长，腔体不结垢、不堵塞，制造成本低，射流计量腔体可一次注塑成型，批量生产产品特性一致性好等特点。 等同采用国外水表先进产品标准的新国标（GB/T778.1～3－2007）已将传统机械水表、带电子装置的机械水表以及采用电和电子原理的新颖电子水表等均列入水表产品序列，使水表产品门类和品种更加全面、技术来源更加多样、产品性能更加优越。水表新国标的颁布实施给射流电子水表有了正式“身份”，同时也有了可以遵循和验收的技术指标和试验方法，为射流流量传感器和射流电子水表的性能提升与发展指明了方向。图1为宁波水表股份有限公司首创并研制的DN15与DN20的射流水表。 射流流量传感器 射流流量传感器通常由射流计量（振荡）腔和振荡信号检测电路两部分所组成。射流计量腔的作用是将被测流体引入腔体并使其产生稳定而持续的双稳态振荡；振荡信号检测电路的作用则是将与被测流体振荡频率成比例的流速信号通过一定的传感原理及相应的敏感元件将其检出并做信号预处理，供后续信号处理单元使用，最终得到被测管道中流体的流速、流量以及累积流量等参数。 射流腔的结构形式有多种，其中有代表性结构的射流腔的主要特点是在小流量测量条件下（即雷诺数较小时）能很好地起振并持续等幅振荡，因此具有小的始动流量值，特别适合于流量测量范围要求较宽的电子水表应用。 当封闭管道中的水流体进入射流计量腔时，由于射流的附壁效应和控制射流反馈原理，使水流体在射流计量腔中振荡，该振荡频率在一定的流量范围内与流经管道流体的流速或体积流量成正比，且不受流体的物理性质等影响，见下式 式中：v—射流腔喷射口处流体平均流速值，m/s；d—与射流腔特征尺寸有关的参数；Sr—Strouhal数；f—射流振荡频率；qv—流过喷射口的体积流量值，m3/h；S—射流喷射口截面积，m2。 在射流腔主通道或反馈通道上设置电磁速度式敏感元件或压电压力式敏感元件，可以将流体振荡频率检出并送后续信号处理电路作进一步处理。 对流体在射流腔中的振荡过程作如下描述：管道水流体进入射流腔进水孔并在其喷嘴口处形成射流喷射体；射流喷射体在通过主通道时，由于受到射流附壁效应和随机干扰影响，流体就会沿着两个对称侧壁中的任意一个侧壁前行；在分流劈的阻挡下，流体会在分流劈与其中一个侧壁之间通过，其中大部分流体流向出水孔并最后流出射流腔，少部分流体则通过两个对称反馈通道中的同一侧通道流回主通道；反馈回来的流体会改变主通道射流喷射体的流动方向，使其偏向另一侧壁并在分流劈和另一侧壁之间流过。同样情形，大部分流体又会流出出水孔，少部分流体通过另一反馈通道又流回到主通道并改变射流喷射体的流动方向；这样周而复始进行下去，就会在射流腔中形成稳定的射流振荡，它与双稳态振荡器的工作原理非常相似。射流振荡频率在雷诺数大于某一数值时与管道中水流体的流速或体积流量成线性关系。 信号处理 现以电磁速度式信号检测原理为例说明信号检测的工作过程。射流振荡频率f是由感应电动势E的周期变化反映的。射流振荡幅值Emax既是射流腔信号检测电极几何位置w的函数，又是射流振荡频率f的函数。计算机数值模拟结果表明，在相同的管道流速条件下，处于射流腔内部不同位置的振荡流体，其流动速度是不同的，因此感应电动势也不相同；当管道中流速变化时，射流振荡频率也会随之改变。射流振荡频率越低，射流体切割磁力线的运动速度就越慢，检测到的信号幅值就越小。反之，频率越高，速度就越快，信号幅值就越大。信号检测方式可以是单端形式，也可以是差动形式，差动信号输出幅值是单端形式的2倍。已知射流体在计量腔中按正弦规律振荡，可用下式分别描述两路相位相反的单端输出信号E1和E2： 式中：E—差动输出射流振荡信号电动势，V；Emax（w、f）—射流振荡幅值信号，V；ω、f—射流振荡时的角频率和频率，rad/s、Hz (ω =2π f)；w—位置参数。 射流水表 射流水表是在射流流量传感器基础上增加信号处理单元等构成的。信号处理单元按用水计量要求对传感器输出信号进行累积流量（即用水体积量）、平均瞬时流量等的计算，在通信接口硬件电路及通信软件（如通信协议等）的支撑下，将处理得到的计量数据以有线传输或无线传输方式发送到控制终端，完成计量数据远传任务，同时还将计量数据在射流水表电子显示器上加以显示。在由射流流量传感器构成的射流电子水表工作原理框图中，它除了流量传感单元外，还包括信号处理单元（由模拟与数字信号处理、数据运算及显示、数据通信等电路组成）。当采用恒磁励磁电磁检测方法时，信号处理单元还应包括信号调制电路等部分。 应用与特性 射流电子水表当前主要应用场合是户用小口径供水管网的用水计量，而户用小口径供水管网水表则是城镇和农村居民用水贸易结算的主要工具。随着高能供电电池技术和微功耗电路设计技术的逐步成熟，射流电子水表的使用寿命可以达到数十年之久，电池使用寿命也可达到近十年的水平。由于射流电子水表具有良好的使用特性、优越的测量性能及较高的性价比，因此可以确信它的应用前景是非常光明的。 射流电子水表既有许多特色优势，但也有一定的局限性，如：大流量测量受到射流腔压力损失的限制而不能持续提高；始动流量受到被测流体粘性力作用不起振的制约等。目前，宁波水表股份有限公司研制的DN20射流电子水表性能已能达到的较好水平。 提升射流水表小流量测量特性的关键点：1）射流计量腔在低雷诺数流体条件下（如102量级）是否仍能正常起振；2）在流体振荡幅值很弱（微伏级电压）、振荡频率很低（10-1～10-2 Hz）条件下能否保证有用信号的有效检测与处理。 由于射流水表的结构限制，当被测管道流量超过它的使用上限，就会使射流水表的压力损失大大增加，因此射流水表目前主要还是在小口径管网上流量不大条件下使用为主。如要在大口径管网的大流量条件下使用，则应采用分流形式结构，使其能满足大流量测量的需要。式（6）是其体积流量与射流腔振荡式中： K1—射流振荡腔调整系数；K2—文丘里差压管调整系数；采用文丘里管差压原理的 分流式射流流量传感器，在减少了传感器测量管压力损失的同时也扩大了传感器流量测量的上限值。 结论 射流流量传感器以及射流电子水表的研制成功，标志着我国在利用电或电子原理构成新颖水流量传感技术以及新颖电子水表产品方面有了新的起步与开端，标志着我国与国外先进水表企业间的竞争差距明显缩小，也为我国赶超世界电子水表技术的先进水平奠定了基础。电子水表的诞生，为我国水表产品功能的多样性和测量的高准确性创造了十分有利的条件。相信，在不远的将来电子水表必将成会水表产品家族中的主体。(end)

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