基于渦街流量傳感器的高精度液體旋渦流量計

王國武 丁必要 趙 靜

(合肥精大儀表股份有限公司，合肥 230088)

高精度液體流量計主要以液體容積式流量計[1]為主，如橢圓齒輪流量計、螺旋轉子流量計及羅茨流量計等，其共同點是精度較高且有一對轉子，系機械式流量計；但量程窄、結構復雜、零部件加工精度高、材料成本高、可動部件的轉子易磨損、壓力損失大、易卡滯、不能計量含顆粒物或結晶的液體、不耐高溫及不能用蒸汽吹掃等缺陷，因此適用場合非常有限。普通旋渦流量計指渦街流量計，但其精度很難達到一級以上，對前后直管段等安裝工藝的要求也較高，而且可測液體流速較高；渦輪流量計結構復雜，有轉動的渦輪轉子和軸承，對零部件加工精度要求高，也不耐高溫，不能測量易結晶流體。

目前工業(yè)生產中對精度高、安裝要求低、性能可靠、適用范圍廣的高品質流量計的需求越來越多。為克服液體容積式流量計的缺陷，在卡門渦街原理和技術創(chuàng)新的基礎上，研制基于渦街流量傳感器的高精度液體旋渦流量計。

1 液體旋渦流量計①

1.1 計量原理

液體旋渦流量計的基本結構如圖1所示。測量管表體的剖視圖如圖2所示，可見其為三段式結構。

測量管表體與流體輸送管相連，流體流入測量管表體，通過旋渦發(fā)生體的流體分散6處沿偏角的葉片向前流動，并產生繞管道中心軸旋轉的脈動旋渦流繼續(xù)流動，隨著縮口段的減小，脈動旋渦流的流速越來越大，到達直管段時流速最大，并經直管段的二次整流后脈動流最強、最穩(wěn)定，且環(huán)繞管壁處的流速最大；此時插入安裝在直管段的旋渦檢測傳感器檢測到旋渦流的脈動頻率，該脈動頻率和流體流速成良好的線性關系，旋渦檢測傳感器輸出相應頻率的電信號到信號處理與積算顯示儀后進行信號處理并精確計算出流體流量；計量過的旋渦流經消旋器消旋整流成無旋渦的流體流往下游管道。

圖1 液體旋渦流量計基本結構示意圖

圖2 測量管表體剖視圖

1.2 旋渦發(fā)生體

本設計中的旋渦發(fā)生體的設計不同于三角柱或梯形柱[2]渦街旋渦發(fā)生體，它是在一個小直徑圓柱體上圓周螺旋分布安裝6個直葉片，6個直葉片沿圓周均勻分布且與中心軸呈40°偏角。這種特殊結構的旋渦發(fā)生體既是旋渦流的發(fā)生體，又具有流動調整器[3～6]的作用，因此經過該旋渦發(fā)生體產生的旋渦流場更穩(wěn)定、更強，旋渦流對安裝在后面的流量傳感器作用力也更大，有利于流量信號的檢測，也從根本上保證了流量計具有良好的重復性[7]；此特征也是作為高精度液體旋渦流量計的首要和必要條件；該結構特點也使該流量計不僅對安裝工藝要求低，特別是對前后直管段長度[8，9]的要求更低(前直管段3D～5D，后直管段1D～2D)，而且可以抑制上游脈動流、紊流[10]、管道振動和流體氣穴的干擾，這是渦街流量計與其他速度式流量計所不具備的。另外，該部件整體采用不銹鋼材料，可耐高溫耐腐蝕。

1.3 測量管表體

測量管表體是具有特殊結構和尺寸的三段式直通管，全部采用不銹鋼制成；表體內通道形狀像經典的文丘里管[11]，但與其作用有本質區(qū)別，此處結構不同于文丘里管獲得上下游符合特定函數(shù)規(guī)律的壓差參數(shù)，而是獲得一個適度的壓差和流體的加速作用，起到對旋渦流體二次整流的作用，二次整流過的旋渦流脈動更強，旋渦傳感器就是檢測此時的旋渦流脈動。另外，此三段式流體通道的壓損較小，對流量計的流量特性曲線有調整功能，在結合大量實驗數(shù)據(jù)的基礎上優(yōu)化計算出一套尺寸參數(shù)，按此尺寸設計的流量計在較寬的流量范圍仍具有很高的線性度，這個特征是作為高精度流量計能保證高準確度[12]的關鍵；直管段部分的直徑比參數(shù)的設計值大于0.7，從而在滿足精度要求的同時實現(xiàn)流通截面最大化，從根本上減小工作時的壓損，后期實驗驗證壓損僅為同口徑容積式流量計的20%～30%，節(jié)能效果明顯；該設計也保證了整個流體管道內光滑流線無死角，不會造成堵塞及介質留存等現(xiàn)象，可用于易結晶、含顆粒物、非潔凈液體或具有衛(wèi)生潔凈要求的液體計量。

1.4 旋渦檢測傳感器

旋渦檢測傳感器采用已獲國家專利技術設計的一種通用渦街流量傳感器[13](簡稱傳感器)，該傳感器采用高溫鈮酸鋰壓電晶體技術[14]、探頭內腔無填充材料結構、抽真空全氬弧焊接密封技術及剛性的金屬鎧裝導線等新材料和新工藝技術制成；探頭也采用不銹鋼材料制成。該傳感器具備通用性、耐高溫、抗振性強和信噪比高的特點，既可用于渦街流量計又可用于本流量計。旋渦檢測傳感器內部封裝的壓電晶體為居里點溫度在1 200℃的鈮酸鋰單晶體，從根本上保證了傳感器耐高溫400℃的性能；采用內部無填充結構、封裝工藝和剛性鎧裝導線結構形式，保證了傳感器具有很高的信噪比和抗振性。該設計也是本課題的基礎所在，采用渦街流量傳感器配套方案使得該流量計保留了渦街流量計全部的優(yōu)點。

1.5 信號處理和流量積算儀

由于流量傳感器采用了壓電式渦街流量傳感器，所以信號變送器、流量計積算儀和渦街流量計的設計相同。由信號處理和流量積算儀組成的電氣系統(tǒng)結構框圖如圖3所示。

渦街流量傳感器輸出的電荷信號經電荷放大器轉換為電壓信號，再通過電壓放大器、低通濾波器和電壓跟隨器的濾波放大與整形后輸出脈沖信號進入單片機；單片機采用16位超低功耗MSP430[15]系列芯片，使得該流量計具有雙電源供電功能，輸出信號有三線制脈沖、兩/三線制4～20mA電流兩種，還具有RS485通信功能等，充分滿足各種工業(yè)計量場合的需求。

2 測試與應用

評定流量計性能指標主要有4個參數(shù)：K系數(shù)、量程比、重復性和準確度等級。其中，K系數(shù)是指一個測量周期內，流量計輸出的脈沖數(shù)與流過流量計的相應流體總體積之比，每臺流量計都有一個對應的平均K系數(shù)，一般都是通過實流標定得出的；量程比是指流量計可測最大流量值與最小流量值的比值；重復性是指在相同測量條件下，重復測量同一個被測量，測量儀器提供相近示值的能力；準確度等級是指符合一定的計量要求，使誤差保持在規(guī)定極限以內的測量儀器的等別或級別。

圖3 電氣系統(tǒng)結構框圖

根據(jù)上述測試性能指標，對該方案研制的DN25mm、DN32mm和DN50mm共3種口徑的樣機一批共10臺進行測試，10臺樣機在合肥精大儀表股份有限公司的啟停質量法水流量標準裝置上全部通過0.5級合格檢定，特別是重復性指標，全部優(yōu)于0.1%。其中一臺DN25mm口徑樣機的標定結果見表1，其量程比達15∶1，最小流速測到0.28m/s，量程范圍明顯高于同口徑的各種容積式流量計，準確度等級高于渦街流量計等其他普通速度式流量計。

表1 水流量標定結果

2014年，國內某核電站定制了一臺DN25mm口徑液體旋渦流量計，用于計量含結晶和顆粒物的核廢液，經用戶現(xiàn)場標定其準確度等級達到0.4；另一化工企業(yè)用戶的一臺DN25mm口徑液體旋渦流量計，用于計量150℃下的甲基鄰苯二銨有機液流量，介質粘度150mPa·s，用戶現(xiàn)場實流標定其準確度等級達到0.5級。

3 結束語

筆者設計的基于渦街流量傳感器的高精度液體旋渦流量計吸收了容積式流量計、渦街流量計及文丘里管流量計等多種技術或性能的優(yōu)點，該流量計所采用的關鍵部件——通用渦街流量傳感器技術已獲國家專利授權，整機技術高精度可測液體旋渦流量計也已獲國家專利[16]，是結構簡單、整機零部件少、制造成本低和機電一體智能化的高精度液體流量計，樣機測試和用戶的實際應用都證實其測量精度較高。該流量計還適用于有特殊要求的計量場合。

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