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量腔中產(chǎn)生與其流速成正比的雙穩態(tài)振蕩這一原理而構成，是近年來(lái)水流量測量領(lǐng)域中的新產(chǎn)品。由于射流流量傳感器的計量腔內無(wú)機械運動(dòng)部件，內表面采用摩擦系數極低的工程塑料材料和優(yōu)化的腔體結構等技術(shù)，因此射流流量傳感器具有使用壽命長(cháng)，腔體不結垢、不堵塞，制造成本低，射流計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)。

等同采用國外水表先進(jìn)產(chǎn)品標準的新國標(GB/T778.1～3－2007)已將傳統機械水表、帶電子裝置的機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(lèi)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。水表新國標的頒布實(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收的技術(shù)指標和試驗方法，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。

射流流量傳感器

射流流量傳感器通常由射流計量(振蕩)腔和振蕩信號檢測電路兩部分所組成。射流計量腔的作用是將被測流體引入腔體并使其產(chǎn)生穩定而持續的雙穩態(tài)振蕩；振蕩信號檢測電路的作用則是將與被測流體振蕩頻率成比例的流速信號通過(guò)一定的傳感原理及相應的敏感元件將其檢出并做信號預處理，供后續信號處理單元使用，最終得到被測管道中流體的流速、流量以及累積流量等參數。

射流腔的結構形式有多種，其中有代表性結構的射流腔的主要特點(diǎn)是在小流量測量條件下(即雷諾數較小時(shí))能很好地起振并持續等幅振蕩，因此具有小的始動(dòng)流量值，特別適合于流量測量范圍要求較寬的電子水表應用。

當封閉管道中的水流體進(jìn)入射流計量腔時(shí)，由于射流的附壁效應和控制射流反饋原理，使水流體在射流計量腔中振蕩，該振蕩頻率在一定的流量范圍內與流經(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

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；Sr—Strouhal數；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信號處理電路作進(jìn)一步處理。

對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和隨機干擾影響，流體就會(huì )沿著(zhù)兩個(gè)對稱(chēng)側壁中的任意一個(gè)側壁前行；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)對稱(chēng)反饋通道中的同一側通道流回主通道；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，使其偏向另一側壁并在分流劈和另一側壁之間流過(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；這樣周而復始進(jìn)行下去，就會(huì )在射流腔中形成穩定的射流振蕩，它與雙穩態(tài)振蕩器的工作原理非常相似。射流振蕩頻率在雷諾數大于某一數值時(shí)與管道中水流體的流速或體積流量成線(xiàn)性關(guān)系。

信號處理

現以電磁速度式信號檢測原理為例說(shuō)明信號檢測的工作過(guò)程。射流振蕩頻率f是由感應電動(dòng)勢E的周期變化反映的。射流振蕩幅值Emax既是射流腔信號檢測電極幾何位置w的函數，又是射流振蕩頻率f的函數。計算機數值模擬結果表明，在相同的管道流速條件下，處于射流腔內部不同位置的振蕩流體，其流動(dòng)速度是不同的，因此感應電動(dòng)勢也不相同；當管道中流速變化時(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(xiàn)的運動(dòng)速度就越慢，檢測到的信號幅值就越小。反之，頻率越高，速度就越快，信號幅值就越大。信號檢測方式可以是單端形式，也可以是差動(dòng)形式，差動(dòng)信號輸出幅值是單端形式的2倍。已知射流體在計量腔中按正弦規律振蕩，可用下式分別描述兩路相位相反的單端輸出信號E1和E2：

式中：E—差動(dòng)輸出射流振蕩信號電動(dòng)勢，V；Emax(w、f)—射流振蕩幅值信號，V；ω、f—射流振蕩時(shí)的角頻率和頻率，rad/s、Hz(ω=2πf)；w—位置參數。