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(wěn)態(tài)振蕩這一原理而構(gòu)成，是近年來水流量測量領(lǐng)域中的新產(chǎn)品。由于射流流量傳感器的計量腔內(nèi)無機械運動部件，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，腔體不結(jié)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。

等同采用國外水表先進產(chǎn)品標準的新國標(GB/T778.1～3－2007)已將傳統(tǒng)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)品門類和品種更加全面、技術(shù)來源更加多樣、產(chǎn)品性能更加優(yōu)越。水表新國標的頒布實施給射流電子水表有了正式“身份”，同時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(wěn)定而持續(xù)的雙穩(wěn)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一定的傳感原理及相應(yīng)的敏感元件將其檢出并做信號預(yù)處理，供后續(xù)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(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是在小流量測量條件下(即雷諾數(shù)較小時)能很好地起振并持續(xù)等幅振蕩，因此具有小的始動流量值，特別適合于流量測量范圍要求較寬的電子水表應(yīng)用。

當封閉管道中的水流體進入射流計量腔時，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)信號處理電路作進一步處理。

對流體在射流腔中的振蕩過程作如下描述：管道水流體進入射流腔進水孔并在其噴嘴口處形成射流噴射體；射流噴射體在通過主通道時，由于受到射流附壁效應(yīng)和隨機干擾影響，流體就會沿著兩個對稱側(cè)壁中的任意一個側(cè)壁前行；在分流劈的阻擋下，流體會在分流劈與其中一個側(cè)壁之間通過，其中大部分流體流向出水孔并最后流出射流腔，少部分流體則通過兩個對稱反饋通道中的同一側(cè)通道流回主通道；反饋回來的流體會改變主通道射流噴射體的流動方向，使其偏向另一側(cè)壁并在分流劈和另一側(cè)壁之間流過。同樣情形，大部分流體又會流出出水孔，少部分流體通過另一反饋通道又流回到主通道并改變射流噴射體的流動方向；這樣周而復(fù)始進行下去，就會在射流腔中形成穩(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)值時與管道中水流體的流速或體積流量成線性關(guān)系。

信號處理

現(xiàn)以電磁速度式信號檢測原理為例說明信號檢測的工作過程。射流振蕩頻率f是由感應(yīng)電動勢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(shù)，又是射流振蕩頻率f的函數(shù)。計算機數(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，其流動速度是不同的，因此感應(yīng)電動勢也不相同；當管道中流速變化時，射流振蕩頻率也會隨之改變。射流振蕩頻率越低，射流體切割磁力線的運動速度就越慢，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，也可以是差動形式，差動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(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E1和E2：

式中：E—差動輸出射流振蕩信號電動勢，V；Emax(w、f)—射流振蕩幅值信號，V；ω、f—射流振蕩時的角頻率和頻率，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)上增加信號處理單元等構(gòu)成的。信號處理單元按用水計量要求對傳感器輸出信號進行累積流量(即用水體積量)、平均瞬時流量等的計算，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，將處理得到的計量數(shù)據(jù)以有線傳輸或無線傳輸方式發(fā)送到控制終端，完成計量數(shù)據(jù)遠傳任務(wù)，同時還將計量數(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，還包括信號處理單元(由模擬與數(shù)字信號處理、數(shù)據(jù)運算及顯示、數(shù)據(jù)通信等電路組成)。當采用恒磁勵磁電磁檢測方法時，信號處理單元還應(yīng)包括信號調(diào)制電路等部分。

應(yīng)用與特性

射流電子水表當前主要應(yīng)用場合是戶用小口徑供水管網(wǎng)的用水計量，而戶用小口徑供水管網(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)計技術(shù)的逐步成熟，射流電子水表的使用壽命可以達到數(shù)十年之久，電池使用壽命也可達到近十年的水平。由于射流電子水表具有良好的使用特性、優(yōu)越的測量性能及較高的性價比，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，但也有一定的局限性，如：大流量測量受到射流腔壓力損失的限制而不能持續(xù)提高；始動流量受到被測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到的較好水平。

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

由于射流水表的結(jié)構(gòu)限制，當被測管道流量超過它的使用上限，就會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)，使其能滿足大流量測量的需要。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，在減少了傳感器測量管壓力損失的同時也擴大了傳感器流量測量的上限值。

結(jié)論

射流流量傳感器以及射流電子水表的研制成功，標志著我國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端，標志著我國與國外先進水表企業(yè)間的競爭差距明顯縮小，也為我國趕超世界電子水表技術(shù)的先進水平奠定了基礎(chǔ)。電子水表的誕生，為我國水表產(chǎn)品功能的多樣性和測量的高準確性創(chuàng)造了十分有利的條件。相信，在不遠的將來電子水表必將成會水表產(chǎn)品家族中的主體。