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什么是射流流量计 都有哪些用途与优势

时间:2018/08/05来源:未知

  射流流量计相对于涡街流量计能够在更低的雷诺数下起振,测量下限更低,量程宽,可于高温、低温和辐射等恶劣条件下工作,使射流流量计在流量测量领域具有独有的特点,保证了射流流量计具有广泛的应用前景。
  人工抄表过程中存在的问题,也使很多流量仪表在推广过程中遇到阻力。传统的人工抄表,具有抄表入户难、工作量多、投入成本大等客观存在的问题,越来越不适应当前信息化发展的要求。为解决抄表问题,设计外插的无线模块,无线模块是基于 GSM 网络工作的,能够以短信的方式将累积量等信息发送至接收终端,减小抄表员的工作量,提高抄表效率,节省人力。
 
1、射流流量计的概述:
  射流流量计是一种流体振动式流量计。流体振动式流量计的概念如下:在特定条件下,流体振动的频率与流体流量有密切的对应关系。应用这种原理测量流量的仪表,就是流体振动式流量计。流体振动式流量计除了射流流量计之外,还包含旋进旋涡流量计和涡街流量计。
  射流流量计的核心是一种利用附壁效应(也称 Coanda effect、柯恩达效应)制造的射流“双稳”元件。射流“双稳”元件添加反馈通道从而诱发流体振荡,其振荡频率和流量成正例,只要测得振荡频率就可以得到流量值[10]。
2、射流技术概况:
  射流流量计是基于射流技术设计而成的,下面对射流技术作简要先容。射流是指流体从各种形式的孔口或喷嘴射入同一种或另一种流体介质的流动[11]。在日常生活中,射流现象很多,例如车辆尾气从排气筒中排出,水从水龙头中流出,农业喷灌等均为射流现象,如图 1.1 所示。
  在很长一段时间内,人们对射流现象并没有做深入的研究,直到上世纪 60年代,射流技术才被人们所重视并得到了迅速的发展。人们根据射流技术设计出了射流元件,不同种类的射流元件可以实现“与”、“或”、“非”、“或非”、“异或”、“双稳”、“振荡”、“比例放大”、“计数”和“整流”等多种功能,以射流辅件和实行机构与支配和,即可构成射流自动控制系统,完成各种控制动作。
  射流技术拥有如此众多的功能,为其在工业和日常生活中的广泛应用奠定了坚实的基础。射流技术普遍应用于机械、化工、宇宙空间、印染、电力、军事工程和印染等工业部门。除此之外,射流技术在流量计量领域也得到了足够的重视和发展。起初,利用射流技术设计流量仪表的方案很多,但是,经过实验室研究和现场应用,大部分设计方案被淘汰,只有利用附壁效应的射流流量计得到了推广和应用[12]。
图 1.1 生活中的射流现象

图 1.1 生活中的射流现象

3、射流流量计的工作原理:
  射流流量计是利用附壁效应制成的。因此,要了解射流流量计的工作原理,首先,要了解流体的附壁效应。然后,根据附壁效应设计“双稳”元件。***后,在“双稳”元件的基础上,添加反馈通道,设计出射流“振荡”元件,并在射流“振荡”元件上确定压力监测点,布置用以感应射流振荡频率的传感器。首先先容附壁效应。在射流元件中,壁面至喷嘴的距离称为位差。
  如图 1.2所示,当流体通过入射口或喷嘴射入腔体内部时,在位差不相等的情况下,由于射流对周围流体的卷吸作用,位差较小的一侧气压将小于位差较大的一侧,导致射流在两侧压差的作用下被推向位差较小的一侧。随着射流逐渐地偏向低位差侧,低位差侧卷吸现象更加明显,射流两侧的压差将越来越大,***终射流挤走低位差侧的其他流体,实现完全附壁。在位差相等的情况下,射流也会随机的附壁于其中的一个侧壁。
图 1.2 射流附壁效应示意图

图 1.2 射流附壁效应示意图
  根据射流的附壁效应,可设计出射流“双稳”元件。“双稳”元件的主要几何特征是:两侧位差相等,几何形状完全对称。当有射流输入“双稳”元件时,射流会随机的附着于任一侧壁。如图 1.3 所示,当有正压控制信号施加于左侧控制孔时,射流会在两侧压差的作用下,附着于右侧壁。当撤销控制孔的控制信号时,射流依然稳定的附着于右侧壁。无论控制信号撤销与否,射流都会稳定的附着于左侧壁。
图 1.3 射流“双稳”元件示意图
图 1.3 射流“双稳”元件示意图
  因为具备无节制信号时射流可以稳定附壁于任一侧的特征,这种元件被称为“双稳”元件[13]。“双稳”元件附加反馈通道可构成射流“振荡”元件,反馈通道连接“双稳”元件的输出孔和控制孔,如图 1.4 所示。
图 1.4 射流“振荡”元件示意图
图 1.4 射流“振荡”元件示意图
  当流体由喷嘴射入射流“振荡”元件时,由于位差相等,射流会随机的附着于任一侧壁。如图 1.4 所示,假定射流首先附着于左侧壁,其中大部分流体会通过左排流孔排出,小部分流体通过左输出孔进入左反馈通道,进入左控制孔,使射流转而附着于右侧壁;同理,右侧壁也会有小部分流体通过右输出孔、右反馈通道,进入右控制孔,使射流转而附着于左侧壁。如此循环往复,射流交替地附着于左右两个侧壁,射流发生振荡现象。振荡频率与通过射流流量计的流量呈正比,所以只需测得振荡频率即可获得流量,流量对时间积分,即可获得累积量。振荡频率与流量的关系如公式(1-1)所示。
 fvdSt  (1-1)式中:St 为斯特劳哈数,在较宽的流量范围内为定值;v 为流体射流喷嘴出口流量,f 为射流振荡频率,d 是一个与结构有关的参数。下面分析其中 St 和 d 的物理含义。由于射流流量计主要用于小流量测量,可忽略流体的可压缩性。对于不可压缩气体的在入口处截面 1 和出口处截面 2有能量方程式:
 PvPvP 22222211(1-2)式中:P 为截面处的静压力,Pa;v 为截面处的平均流量,m/s;ρ为流体密度,kg/m3;ΔP 为压力损失,Pa。若压力损失是因引发流体振动引起的,则有气体振动能量方程:
        222AfP (1-3)式中:f 为振荡频率;A 为振幅。在通常情况下,局部阻力引起的压力损失为:22vP
式中:ζ为阻力系数。阻力系数是关于雷诺数的函数,仅在雷诺数足够大时,阻力系数ζ才为常数。当雷诺数很小时,阻力系数ζ不再为常数,而会随流量减小而增大。由公式(1-3)和公式(1-4)可知:Avf
   比较公式(1-5)和斯特劳哈公式的变换式(1-6):dv Stf  (1-6)可知:d 是一个与流体振动振幅 A 有关的尺寸参数;St 是一个与传感器的阻力系数ζ有关的参数

4、射流流量计的优点和缺点:
   射流流量计与同属流体振荡式流量计的涡街流量计相比,其***大的优点是能够在更低的雷诺数下稳定起振,这就保证了其在小流量、小口径和高粘度的流体测量中具有更的表现。此外,射流流量计还具有如下优点:
(1)与涡街流量计相比,射流流量计量程比较大(可达 50:1),测量范围宽。
(2)被侧流体本身即为振动体,无机械可动部件,稳定性较高,使用寿命长,可在高温、辐射等恶劣环境下工作。
(3)射流流量计与节流流量计相比,其压损较小。
(4)体积小,便于安装。
  尽管射流流量计具有很多优点,但仍然存在一定的局限性。
(1)在工程应用中,射流流量计的测量下限很难达到其理论值,使其在微小流量测量时表现一般。
(2)射流流量计内部机械结构复杂,流体在流量计内部撞击侧壁,产生能量损耗,尤其在流量较大时,压力损失较大。

5、射流流量计发展历程和研究现状:
  射流流量计的出现源于射流技术的发展。射流技术的发展始于上世纪六七十年代。***初,研究者们提出了很多射流流量计的设计方案,如基于射流的张弛振荡原理、剪切作用原理和附壁效应原理的射流流量计,并分别对各种设计方案进行研究,这些设计方案有的基本上行不通,有的虽然在实验室通过了试验性研究,但***终并没有经过商品化投放市场,只有利用附壁效应的射流流量计研制成功并进行商品化。其中,美国 Moore 企业生产的基于附壁效应的反馈式射流流量计比较成功,于 70 年代投放市场后,至今销售状况良好。
  到 80、90年代,射流流量计的设计原理基本确定,稳定度、切换灵敏性和线性度基本得到了保障,传统射流流量计的基本构造就被确定下来,研究方向进一步汇集于减小压力损失、扩大量程范围和流量计的微型化。当前对射流流量计的研究仍然汇集于设计新型的振荡腔结构,优化结构参数,以求获得更大的振荡强度和更好的线性度[14]。
  研究现状分为国内和国外两个方面阐述。首先讲述国外的研究现状,美国、英国、日本和俄罗斯等在射流流量计的研究和应用方面处于地位。这些成熟的传感器信号处理技术,使其在二次仪表的设计上已经基本上趋于完善,所以,其主要的研究方向集中在一次仪表的设计,即对射流关键部件的仿真优化。通过对流场的仿真分析,确定射流关键部件的***佳结构和尺寸参数。
  Matteo Martinelli 和 Vladimir Viktorov[15]在三棱柱上开孔,将三个射流放大器组成一个新型的射流振荡器,三个射流放大器的输出孔和控制孔通过三棱柱上的导孔连接,三个射流放大器相互控制,共同组成射流振荡器。其优点是可以缩减射流“振荡”元件的反馈通道长度,进而提高射流振荡频率与流量之间的线性度。***后,对射流流量计用容积式流量计进行气体标定实验,实验证明这种射流传感器具有较好的线性度。
  克哉平田和达也井上[16]等设计了具有自激振荡现象的二维简化射流结构,在实验研究的基础上,得出了斯特劳哈数 St 的经验公式,斯特劳哈数 St 射流振荡器的结构尺寸有关。
  Wang 和 Beck[17]等根据原油的测量要求,分别设计出了两种射流流量计:带有康达转换器和漩涡放大器的射流流量计,通过仿真分析可知,漩涡放大器射流流量计与康达转换器射流流量计相比,压力具有更高的振荡频率和更低的压力损失,但是振幅却更高。
  Masashi Nishigaki 和 Masamichi Ippommatsu[18]等通过带有相位锁定技术的激光多普勒测速仪 LDV 测量气体射流流量计内部的流量与流场形态,测量结果显示,在雷诺数从 291 到 2160 时,并且雷诺数与流量呈正比关系。在被测流体为理想流体时,雷诺数正比于射流振荡频率。
  国内也有关于射流流量计研究的论述。于晓洋[19]等论述了射流振荡器的结构、原理和特点,并给出了射流振荡器的设计原则;白亚磊[20-22]结合射流流量计和槽道流量计的特点,设计了一种新型射流流量计,这种射流流量计使用射流“振荡”元件作为压差式槽道流量计的检测装置,降低了射流流量计的生产成本;王驰宇[23]研制了具有垂直引流流道和双出口的射流流量计,并对射流喷嘴宽度、劈距、位差等关键尺寸的大小对射流振荡器的影响,做了较为深入的研究。
  于君坦对微小尺度的射流传感器进行了机械建模和仿真分析,针对微小尺度无反馈射流振荡器进行了 2D 和 3D 数值仿真研究,并对两种情况分别分析了速度与压力随时间的变化规律、入口流量与振荡频率的关系和雷诺数与斯特劳哈数的关系;谢代梁和邢玉雷[24-25]等在传统射流流量计的基础上,设计了新的振荡腔结构,这种新型的振荡腔是一种折面型的顺流壁面结构,在顺流壁面的后部扩大张角,把分流劈分成两个,两个分流劈分别处于回流通道的入口,正对顺流壁面后部张角扩大处,利于回流的产生,该项改进能够扩宽新型射流流量计的量程比,提高其工作的适应性和稳定性。

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