摘要：为克服液体容积式流量计的缺陷，在卡门涡街原理和创新的基础上,基于涡街流量传感器的精度高液体旋涡流量计。实际应用表明:该旋涡流量计具有精度高、量程宽及对前后直管段要求低等优点，可应用于环境苛刻的计量场合。
液体流量计主要以液体容积式流量计“为主，如椭圆齿轮流量计、螺旋转子流量计及罗茨流量计等,其共同点是精度较高且有一对转子，系机械式流量计;但量程窄、结构复杂、零部件加工精度高、材料成本高、可动部件的转子易磨损、压力损失大、易卡滞、不能计量含颗粒物或结晶的液体、不耐高温及不能用蒸汽吹扫等缺陷，因此适用场合非常有限。普通旋涡流量计指涡街流量计，但其精度很难达到一-级以上,对前后直管段等安装工艺的要求也较高,而且可测液体流速较高;涡轮流量计结构复杂，有转动的涡轮转子和轴承，对零部件加工精度要求高,也不耐高温,不能测量易结晶流体。
目前工业生产中对精度高、安装要求低、性能可靠、适用范围广的高品质流量计的需求越来越多。为克服液体容积式流量计的缺陷,在卡门涡街原理和技术创新的基础上，研制基于涡街流量传感器的液体旋涡流量计。
1液体旋涡流量计①
1.1计量原理
液体旋涡流量计的基本结构如图1所示。测量管表体的剖视图如图2所示，可见其为三段式结构。
测量管表体与流体输送管相连，流体流入测量管表体,通过旋涡发生体的流体分散6处沿偏角的叶片向前流动,并产生绕管道中心轴旋转的脉动旋涡流继续流动,随着缩口段的减小，脉动旋涡流的流速越来越大，到达直管段时流速最大，并经直管段的二次整流后脉动流最强、最稳定，且环.绕管壁处的流速最大;此时插入安装在直管段的旋涡检测传感器检测到旋涡流的脉动频率，该脉动频率和流体流速成良好的线性关系，旋涡检测传感器输出相应频率的电信号到信号处理与积算显示仪后进行信号处理并准确计算出流体流量;计量过的旋涡流经消旋器消旋整流成无旋涡的流体流往下游管道。
1.2旋涡发生体
旋涡发生体的不同于三角柱或梯形柱田涡街旋涡发生体,它是在-一个小直径圆柱体上圆周螺旋分布安装6个直叶片,6个直叶片沿圆周均匀分布且与中心轴呈40°偏角。这种特殊结构的旋涡发生体既是旋涡流的发生体，又具有流动调整器的作用,因此经过该旋涡发生体产生的旋涡流场更稳定、更强，旋涡流对安装在后面的流量传感器作用力也更大,有利于流量信号的检测，也从根本上保证了流量计具有良好的重复性”;此特征也是作为液体旋涡流量计的首要和必要条件;该结构特点也使该流量计不仅对安装工艺要求低，特别是对前后直管段长度的要求更低(前直管段3D~5D,后直管段1D~2D),而且可以抑制上游脉动流、紊流0、管道振动和流体气穴的干扰,这是涡街流量计与其他速度式流量计所不具备的。另外,该部件整体采用不锈钢材料，可耐高温耐腐蚀。
1.3测量管表体
测量管表体是具有特殊结构和尺寸的三段式直通管，全部采用不锈钢制成;表体内通道形状像经典的文丘里管,但与其作用有本质区别，此处结构不同于文丘里管获得上下游符合特定函数规律的压差参数，而是获得一个适度的压差和流体的加速作用，起到对旋涡流体二次整流的作用，二次整流过的旋涡流脉动更强,旋涡传感器就是检测此时的旋涡流脉动。另外，此三段式流体通道的压损较小,对流量计的流量特性曲线有调整功能，在结合大量实验数据的基础上优化计算出一套尺寸参数，按此尺寸设计的流量计在较宽的流量范围仍具有很高的线性度,这个特征是作为流量计能保证的关键;直管段部分的直径比参数的设计值大于0.7,从而在满足精度要求的同时实现流通截面最大化，从根本.上减小工作时的压损，后期实验验证压损仅为同口径容积式流量计的20%~30%，节能效果明显;该设计也保证了整个流体管道内光滑流线无死角,不会造成堵塞及介质留存等现象,可用于易结晶、含颗粒物、非洁净液体或具有卫生洁净要求的液体计量。
1.4旋涡检测传感器
(简称传感器),该传感器采用高温铌酸锂压电晶体技术040、探头内腔无填充材料结构、抽真空全氩弧焊接密封技术及刚性的金属铠装导线等新材料和新工艺技术制成;探头也采用不锈钢材料制成。该传感器具备通用性、耐高温、抗振性强和信噪比高的特点，既可用于涡街流量计又可用于本流量计。旋涡检测传感器内部封装的压电晶体为居里点温度在1200℃的铌酸锂单晶体,从根本上保证了传感器耐高温400℃的性能;采用内部无填充结构、封装工艺和刚性铠装导线结构形式，保证了传感器具有很高的信噪比和抗振性。该设计也是本课题的基础所在，采用涡街流量传感器配套方案使得该流量计保留了涡街流量计全部的优点。
1.5信号处理和流量积算仪
由于流量传感器采用了压电式涡街流量传感器，所以信号变送器、流量计积算仪和涡街流量计的设计相同。由信号处理和流量积算仪组成的电气系统结构框图如图3所示。
涡街流量传感器输出的电荷信号经电荷放大器转换为电压信号,再通过电压放大器、低通滤波器和电压跟随器的滤波放大与整形后输出脉冲信号进入单片机;单片机采用16位超低功耗MSP430s系列芯片,使得该流量计具有双电源供电功能,输出信号有三线制脉冲、两/三线制4~20mA电流两种,还具有RS485通信功能等,充分满足各种工业计量场合的需求。
2测试与应用
评定流量计性能指标主要有4个参数:K系数、量程比、重复性和精度等级。其中,K系数是指一个测量周期内,流量计输出的脉冲数与流过流量计的相应流体总体积之比,每台流量计都.有一个对应的平均K系数,一般都是通过实流标定得出的;量程比是指流量计可测最大流量值与最小流量值的比值;重复性是指在相同测量条件下,重复测量同一个被测量,测量仪器提供相近示值的能力;精度等级是指符合一定的计量要求，使误差保持在规定极限以内的测量仪器的等别或级别。
根据上述测试性能指标，对该方案研制的DN25mm、DN32mm和DN50mm共3种口径的样机一批共10台进行测试，10台样机启停质量法水流量标准装置上全部通过0.5级合格检定,特别是重复性指标，全部优于0.1%。其中一台DN25mm口径样机的标定结果见表1,其量程比达15:I,最小流速测到0.28m/s,量程范围明显高于同口径的各种容积式流量计,精度等级高于涡街流量计等其他普通速度式流量计。
2014年，国内某核电站定制了一台DN25mm口径液体旋涡流量计，用于计量含结晶和颗粒物的核废液,经用户现场标定其精度等级达到0.4;另一化工企业用户的一台DN25mm口径液体旋涡流量计,用于计量150℃下的甲基邻苯二铵有机液流量,介质粘度150mPa.s,用户现场实.流标定其精度等级达到0.5级。
3结束语
设计的基于涡街流量传感器的液体旋涡流量计吸收了容积式流量计、涡街流量计及文丘里管流量计等多种技术或性能的优点,该流量计所采用的关键部件一通用涡街流量传感器技术已获国家专利授权,整机技术可测液体旋涡流量计也已获国家专利0，是结构简.单、整机零部件少、制造成本低和机电一体智能化的液体流量计，样机测试和用户的实际应.用都证实其测量精度较高。该流量计还适用于有特殊要求的计量场合。
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