用途广泛的射流流量计

　　1　流体振动式流量计及其理论基础

　　射流流量计和涡街流量计、旋涡进动流量计同属流体振动式流量计,它们的发展基本上是同步的,都是60年代末期发展起来的。流体振动式流量计的共同特点是:可得到与流量成正比的频率信号;被测流体本身就是振动体,无机械可动部件;几乎不受流体组成、密度、粘度、压力等因素的影响;与节流流量计相比它的压力损失小,量程比宽,应该说这是比较理想的流量计。在流体振动式流量计中,应用最多的是涡街流量计。至于射流流量计直至90年代还没有被实际应用。

　　近年来,随着电子技术的迅速发展,特别是单片机的大量廉价上市,使电子电路性价比和传感器性价比的差距日益拉大。市场需要廉价、稳定性和重复性良好的流量传感器,射流流量计可在一定程度上满足这些要求。

　　对于实际未压缩气体流在阻挡体前断面1和阻挡体后断面2有能量方程式:

　　式中:p为有效断面处的绝对静压力,Pa;v为有效断面处的平均流速,m/s;ρ为气体密度,kg/m³;Δp为压力损失,Pa。

　　若压力损失是因引发流体振动而引起的(如涡街流量计中的旋涡发生体产生卡门涡街、射流流量计中产生射流振荡),则有气体振动能量方程:

　　式中:f为振动频率;A为振幅,例如在卡门涡街序列中相当于涡街宽度。

　　于是得到含有振动能量项的能量方程式:

　　通常又将由局部阻力引起的压力损失用式(4)表示:

　　式中:ζ为阻力系数,ζ=2Δp/ρv²,严格说阻力系数是雷诺数的函数,只有雷诺数足够大时ζ才是常数。当雷诺数很小时ζ不再是常数,而会随流速减小而变大。

　　从式(2)和式(4),可得

　　将式(5)与流体振动式流量计常用公式Strouhal式f=St·v/d比较,可清楚看出Strouhal式中St数和d的物理意义:d是一个与流体振动振幅有关的尺度系数;而St数是一个与物体的形状阻力系数ζ有关的参数。应用式(5)和Strouhal式可定性地解释和利用流体振动流量计的频率特性,同时为改善其线性度提供了方向。测试表明:阻力系数ζ为常数时,St数也是常数;在雷诺数较低时,阻力系数ζ变大,St数也变大。在通常的涡街流量计可见到这种情况,在射流流量计中也有这种非线性现象。这种局部非线性问题可用单片机作数字线性化加以解决。

　　2　射流流量计的原理和结构

　　射流流量计是从射流控制技术中的射流振荡器发展而来,沿袭以往射流振荡器的射流流量传感器结构比较复杂(这也是限制它广泛应用的原因)。这里介绍我们近年开发的射流流量传感器,其结构相对简单(见图1),成本低廉,便于推广。