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(jì)量腔中產(chǎn)生與其流速成正比的雙穩(wěn)態(tài)振蕩這一原理而構(gòu)成，是近年來(lái)水流量測(cè)量領(lǐng)域中的新產(chǎn)品。由于射流流量傳感器的計(jì)量腔內(nèi)無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，內(nèi)表面采用摩擦系數(shù)極低的工程塑料材料和優(yōu)化的腔體結(jié)構(gòu)等技術(shù)，因此射流流量傳感器具有使用壽命長(zhǎng)，腔體不結(jié)垢、不堵塞，制造成本低，射流計(jì)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(guó)外水表先進(jìn)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的新國(guó)標(biāo)(GB/T778.1～3－2007)已將傳統(tǒng)機(jī)械水表、帶電子裝置的機(jī)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(guó)標(biāo)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(yàn)收的技術(shù)指標(biāo)和試驗(yàn)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(jì)量(振蕩)腔和振蕩信號(hào)檢測(cè)電路兩部分所組成。射流計(jì)量腔的作用是將被測(cè)流體引入腔體并使其產(chǎn)生穩(wěn)定而持續(xù)的雙穩(wěn)態(tài)振蕩；振蕩信號(hào)檢測(cè)電路的作用則是將與被測(cè)流體振蕩頻率成比例的流速信號(hào)通過(guò)一定的傳感原理及相應(yīng)的敏感元件將其檢出并做信號(hào)預(yù)處理，供后續(xù)信號(hào)處理單元使用，最終得到被測(cè)管道中流體的流速、流量以及累積流量等參數(shù)。

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

當(dāng)封閉管道中的水流體進(jìn)入射流計(jì)量腔時(shí)，由于射流的附壁效應(yīng)和控制射流反饋原理，使水流體在射流計(jì)量腔中振蕩，該振蕩頻率在一定的流量范圍內(nèi)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(shù)；Sr—Strouhal數(shù)；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(shè)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(xù)信號(hào)處理電路作進(jìn)一步處理。

對(duì)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(yīng)和隨機(jī)干擾影響，流體就會(huì)沿著兩個(gè)對(duì)稱(chēng)側(cè)壁中的任意一個(gè)側(cè)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(cè)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(duì)稱(chēng)反饋通道中的同一側(cè)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(cè)壁并在分流劈和另一側(cè)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(fù)始進(jìn)行下去，就會(huì)在射流腔中形成穩(wěn)定的射流振蕩，它與雙穩(wěn)態(tài)振蕩器的工作原理非常相似。射流振蕩頻率在雷諾數(shù)大于某一數(shù)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(hào)處理

現(xiàn)以電磁速度式信號(hào)檢測(cè)原理為例說(shuō)明信號(hào)檢測(cè)的工作過(guò)程。射流振蕩頻率f是由感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E的周期變化反映的。射流振蕩幅值Emax既是射流腔信號(hào)檢測(cè)電極幾何位置w的函數(shù)，又是射流振蕩頻率f的函數(shù)。計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬結(jié)果表明，在相同的管道流速條件下，處于射流腔內(nèi)部不同位置的振蕩流體，其流動(dòng)速度是不同的，因此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也不相同；當(dāng)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(yùn)動(dòng)速度就越慢，檢測(cè)到的信號(hào)幅值就越小。反之，頻率越高，速度就越快，信號(hào)幅值就越大。信號(hào)檢測(cè)方式可以是單端形式，也可以是差動(dòng)形式，差動(dòng)信號(hào)輸出幅值是單端形式的2倍。已知射流體在計(jì)量腔中按正弦規(guī)律振蕩，可用下式分別描述兩路相位相反的單端輸出信號(hào)E1和E2：

式中：E—差動(dòng)輸出射流振蕩信號(hào)電動(dòng)勢(shì)，V；Emax(w、f)—射流振蕩幅值信號(hào)，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(shù)。

射流水表

射流水表是在射流流量傳感器基礎(chǔ)上增加信號(hào)處理單元等構(gòu)成的。信號(hào)處理單元按用水計(jì)量要求對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行累積流量(即用水體積量)、平均瞬時(shí)流量等的計(jì)算，在通信接口硬件電路及通信軟件(如通信協(xié)議等)的支撐下，將處理得到的計(jì)量數(shù)據(jù)以有線(xiàn)傳輸或無(wú)線(xiàn)傳輸方式發(fā)送到控制終端，完成計(jì)量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳任務(wù)，同時(shí)還將計(jì)量數(shù)據(jù)在射流水表電子顯示器上加以顯示。在由射流流量傳感器構(gòu)成的射流電子水表工作原理框圖中，它除了流量傳感單元外，還包括信號(hào)處理單元(由模擬與數(shù)字信號(hào)處理、數(shù)據(jù)運(yùn)算及顯示、數(shù)據(jù)通信等電路組成)。當(dāng)采用恒磁勵(lì)磁電磁檢測(cè)方法時(shí)，信號(hào)處理單元還應(yīng)包括信號(hào)調(diào)制電路等部分。

應(yīng)用與特性

射流電子水表當(dāng)前主要應(yīng)用場(chǎng)合是戶(hù)用小口徑供水管網(wǎng)的用水計(jì)量，而戶(hù)用小口徑供水管網(wǎng)水表則是城鎮(zhèn)和農(nóng)村居民用水貿(mào)易結(jié)算的主要工具。隨著高能供電電池技術(shù)和微功耗電路設(shè)計(jì)技術(shù)的逐步成熟，射流電子水表的使用壽命可以達(dá)到數(shù)十年之久，電池使用壽命也可達(dá)到近十年的水平。由于射流電子水表具有良好的使用特性、優(yōu)越的測(cè)量性能及較高的性?xún)r(jià)比，因此可以確信它的應(yīng)用前景是非常光明的。

射流電子水表既有許多特色優(yōu)勢(shì)，但也有一定的局限性，如：大流量測(cè)量受到射流腔壓力損失的限制而不能持續(xù)提高；始動(dòng)流量受到被測(cè)流體粘性力作用不起振的制約等。目前，寧波水表股份有限公司研制的DN20射流電子水表性能已能達(dá)到的較好水平。

提升射流水表小流量測(cè)量特性的關(guān)鍵點(diǎn)：1)射流計(jì)量腔在低雷諾數(shù)流體條件下(如102量級(jí))是否仍能正常起振；2)在流體振蕩幅值很弱(微伏級(jí)電壓)、振蕩頻率很低(10-1～10-2Hz)條件下能否保證有用信號(hào)的有效檢測(cè)與處理。

由于射流水表的結(jié)構(gòu)限制，當(dāng)被測(cè)管道流量超過(guò)它的使用上限，就會(huì)使射流水表的壓力損失大大增加，因此射流水表目前主要還是在小口徑管網(wǎng)上流量不大條件下使用為主。如要在大口徑管網(wǎng)的大流量條件下使用，則應(yīng)采用分流形式結(jié)構(gòu)，使其能滿(mǎn)足大流量測(cè)量的需要。式(6)是其體積流量與射流腔振蕩式中：

分流式射流流量傳感器，在減少了傳感器測(cè)量管壓力損失的同時(shí)也擴(kuò)大了傳感器流量測(cè)量的上限值。

結(jié)論

射流流量傳感器以及射流電子水表的研制成功，標(biāo)志著我國(guó)在利用電或電子原理構(gòu)成新穎水流量傳感技術(shù)以及新穎電子水表產(chǎn)品方面有了新的起步與開(kāi)端，標(biāo)志著我國(guó)與國(guó)外先進(jìn)水表企業(yè)間的競(jìng)爭(zhēng)差距明顯縮小，也為我國(guó)趕超世界電子水表技術(shù)的先進(jìn)水平奠定了基礎(chǔ)。電子水表的誕生，為我國(guó)水表產(chǎn)品功能的多樣性和測(cè)量的高準(zhǔn)確性創(chuàng)造了十分有利的條件。相信，在不遠(yuǎn)的將來(lái)電子水表必將成會(huì)水表產(chǎn)品家族中的主體。