CN1110688C - 流体测量表 - Google Patents

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Abstract

一种用作家用水表的振荡射流型流体流量表，在入口处具有调节盘(6)，提高了水表的线性。该盘位于长射流成形孔的流入端，位于通向射流成形孔的收敛形入口通道的入口处。该盘可以是有狭缝的盘的形状，具有三个被非流线形的长阻挡区(13)隔开的狭缝(12)，狭缝和阻挡区与射流成形孔平行。调节盘在层流和过渡流入液流状态下可有效地使流速曲线平直，并向流动中引入紊流，在射流成形孔处模拟紊流流动状态。

Description

流体流量表
技术领域
本发明涉及一种流体流量表。
背景技术
在EP-A2-0381344中公开了一种流体回流振荡器型的水表，适合用作家庭供水的水表。
正如所公开的内容那样，这种水表具有一个收敛形入口，与呈长狭缝状的射流成形孔相通。狭缝引导水流进入由分隔片隔开的扩张形主管道。来自主管道的反馈回流回到邻近入口的射流通道的相对两侧。液体射流束贴附到主管道的一壁面，然后再到另一面，反复地前后横向摆动，其频率取决于流速。因此，测量振荡的频率就可以用来测定流速。如EP-A2-0381344所述，可以通过建立横跨在至少一个管道内磁场，测量在垂直于流动方向和磁场方向上产生合成电势差的频率，来完成这样的测量。
这种振荡射流型流体流量表配有线性和温度补偿系统，由于低功率的算法微处理器的各种限制，受到其潜在的复杂性限制。由于这个及其它的原因，要求流体振荡器的仪表因数响应曲线尽可能呈线性，仪表因数的各变量应是平滑过渡而不是急速的阶跃变化。
特别是对于水表，这点很难做到。为了满足家用水表的工作性能指标，要求水表可在较大范围的流动状况下工作，从低流速下的完全层流、通过过渡状态到高流速下的完全紊流。通过不仅改变射流的流动特性而且改变围绕流量表内部几何形状的复杂的局部流动形态，随着那些不同的流动状况而变化的管道内流速分布曲线将影响流体振荡流量表的性能。于是，变化的流动状况使流体振荡器工作呈非线性，在流程内仪表因数响应会有突变。
众所周知，利用各种装置来改善管道内的流动特性，不仅仅限于流量表入口的流入端。这样的装置可以是通常称作流动流量调节装置和流动整流器的两种中的一种。
流动流量调节装置通常用在完全紊流状态，用以在入口管中某些扰动后恢复标准(平)流速分布曲线。流动流量调节装置安装在流量表上游端离流量表一定距离处(通常距流量表入口距离是5D到10D，此处D是管道直径)，以流体进入流量表之前可以重新建立标准流速曲线和紊流水平。这些装置通常用于只要求在较高雷诺数下运作的流量表上(例如紊流状态)。
另一类通常使用的流动流量调节装置是流动整流器。利用流动整流器来去掉管道中弯管后面直管的上游端长度不足的设施中的涡流。但是，流动整流器不能使曲线对称分布。
为了多种目的，需要流量表仅在一种流动状态下工作，也就是完全紊流的状态，在这种固定不变的状态下现有的调节装置是有效的。但是，为了达到可以满足家用水况测量指标的流动范围，水表必须能够在从完全紊流、过渡状态到完全层流范围的流动状态下工作。现有的调节装置和通常所用的方法未能提供一种解决问题的方法，即改善在如此大的调节范围内运作的流量表的线性。
因为管壁的摩擦作用，在低流速时流体的流速在管道的所有位置处各不一样(产生一种抛物线流速分布曲线)，当流速增大，在流动中开始形成紊流，因而在足够高的雷诺数下，流动变成完全紊流，管道内流动分布曲线变成平的。在水表的入口处紊流向层流的转变可能使得流体振荡器中的流动形式剧烈变化，导致斯特劳黑耳数随雷诺数突然变化，形成明显的非线性。
发明内容
本发明的目的是为了使振荡射流型流体流量表在较大的入口流动状态的范围内包括完全形成紊流和在低雷诺数时呈过渡态或层流的流动，基本上保持线性。
本发明的一方面是提供一种振荡射流型流体流量表，具有长形射流成形孔，使从所述长形射流成形孔中流出的射流在垂直于射流成形孔平面的平面上振荡，测量射流振荡的频率用来指示流量表中的流速，流量表还包括流量调节装置，调节装置包括平直的主体，它位于射流成形孔的流入端，其特征在于，调节装置形成多个孔，这些孔在垂直于主流动方向上间隔开，流入液流从其中流过，并且所述调节装置在层流和过渡的流入液流状态下可有效地使流速曲线平直，并向流动中引入紊流，在射流成形孔处模拟紊流流动状态。
本发明的另一方面是一种振荡射流型流体流量表，具有长形射流成形孔，使从所述长形射流成形孔中流出的射流在垂直于射流成形孔平面的平面上振荡，测量射流振荡的频率用来指示流量表中的流速，流量表还包括流量调节装置，调节装置包括平直的主体，它位于射流成形孔的流入端，其特征在于，调节装置形成非流线形的阻挡件，它们在垂直于主流动方向上间隔开，并将流入液流穿过的长槽分隔开，并且所述调节装置在层流和过渡的流入液流状态下可有效地使流速曲线平直，并向流动中引入紊流，在射流成形孔处模拟紊流流动状态。
已经发现在入口流动中引入扰动不仅可以使流速曲线平直及向流动中引入紊流，导致在射流成形孔处模拟完全成形的紊流，所以可以大大改善在较宽范围内(较低雷诺数以上)的流量表的线性。而且也发现，这样调节入口流动也可以使流量表在比其他情况更低的流速使用，流速减小时射流振荡可维持得更长；这就使流量表使用范围更大。本发明更进一步的优点在于安装条件允差可以更大，尽管由于流入端扰动而使得入口流动状态变化，使用调节装置使得流入射流成形孔的流动均匀一致。
调节装置最好安装在紧邻或就位于入口通道中，入口通道与射流成形孔相通，它在垂直于射流成形孔平面的各平面上沿流动方向呈收敛形。这样的入口通道具有放大调节装置所引入的紊流效应的作用，因而在射流成形孔处模拟完全成形的紊流流动。
在一种有效的结构中，调节装置形成多个孔，这些孔在垂直于主流动方向上间隔开，流入液流从其中流过。最好这些孔都在垂直于流动方向的平面上，在一种最佳设计中，它们是由较大的孔包围着中间较小孔阵列。调节装置可以由多孔盘状的主体组成，它延伸成为液流的阻隔物。
在另一种的有效结构中，调节装置形成外流线形的阻挡件，它们在垂直于主流动方向上间隔开，并将流入液流穿过的细长通道分隔开。每个流动通道可以包括一排分开的孔，或者呈单个的长狭缝状。在任一种情况下，阻挡件和流动通道最好在平行于射流成形孔平面的平面上。调节装置也可由多孔盘状的主体组成，它延伸成为液流的阻隔物。
下面参照附图对流体流量表及作为例子示意本发明的几种流动流量调节装置进行详细的说明。
附图简介
图1是从入口端所看到的本发明流体流量表主体的立体图；
图2是该流量表主体的平面图；
图3在没有任何入口流动调节时这种流量表中仪表因数响应曲线；
图4是一个轴向视图，示出流量调节装置第一个实施例的孔排列形式；
图5是使用图4所示的流量调节装置所获得的仪表因数响应曲线；
图6是流量调节装置第二个实施例中的狭缝的排列形式；
图7是使用图6所示的狭缝形流量调节装置所获得的仪表因数响应曲线。
实施例
图1和2示出用于测量家庭供水量的振荡射流型流体流量表的几何形状。流量表是回流流体振荡型，它包括通向细长射流成形孔2的收敛形流入通道1(该射流成形孔呈狭缝状，位于与图2的平面垂直的方向上)，分隔柱3，两个渐扩的附着壁4，以及两个回流通道5。在EP-A-0381344中描述了这种结构的流量表。在图2中用箭头表示流入液流的方向，液流通过流入通道入口处的流量调节装置6进入流入通道1中，该流量调节装置是多孔形平板。
当流体流入流量表中时，通过收敛形流入通道1和射流成形孔2形成射流。流入通道仅在垂直于射流成形孔平面的各平面上是收敛的。附着壁4通过附壁效应对射流施加作用力，射流就向一个壁弯曲，并沿该壁流动。射流首先附着的那个壁是由射流中被附壁效应放大的随机波动决定的。
射流沿着附着壁4流动，流过分隔柱3的一侧，再流过流量表的出口7。当流动偏向一侧时，主流中的一些流体被带入到附近的回流通道5中，流过该通道，到达射流成形孔的出口附近并与射流流动呈直角。回流液流被带入到射流成形孔和扩散器壁之间的分离水泡。在分离水泡变得较大时，射流离开附着壁，直到射流遇到分隔柱3之前，在此，分离水泡破裂，射流贴附到对面的附着壁上。这样，通过相对的回流通道5重复其回流过程。射流持续的横向振荡就形成了，其振荡的频率取决于流速。
利用电磁感应测量水表中的振荡。安装在附着壁4上的两个永久磁体8产生一个与射流垂直的磁场，在流体中产生一个电动势。利用安装在分隔柱3两侧流动腔顶部的不锈钢电极9测量感应电势。因为电能是由电磁感应效应产生的，测量元件本身不需要电能。水表需要的唯一的电能是用来放大和处理产生的信号的。
图3示出没有流量调节装置6的条件下工作的流量表的仪表因数(每个脉冲的流量)与雷诺数的关系图。当雷诺数大于2500时，响应相对平直，该装置运作在±1.25％之内的线性范围内。这种情况对应于射流中完全紊流的状态。
当雷诺数在700到2500之间时，在仪表因数特性中出现峰值。随着雷诺数的变化仪表因数的急速变化意味着流体振荡器没有在线性状态下工作，峰值间的差值大于±5％。在这些雷诺数下，流入液流状态是过渡态。
当雷诺数小于700时，仪表因数特性随雷诺数的下降逐渐上升。这是由于粘度阻尼使振荡频率的减小远比随雷诺数的频率变化大。一旦雷诺数低于一个最小值时，射流流动就变得稳定，振荡就完全停止。
当流速减小时，入口处的流速曲线分布越来越呈抛物线性，射流中的紊流度就更加稳定。射流稳定性的变化程度和振荡器中流动状态的变化引起振荡频率随流速的变化率的改变。当射流流动状态是过渡态和层流时，这就会产生非线性的仪表因数特性，从使用的角度来看，这是不希望的。
随着截面宽度的减小，收敛形流入通道1(在紧邻射流成形孔2的流入端)本身改变了流动的分布形态。流动流量调节装置6安装在紧邻收敛处的流入端，这样收敛就放大和增加了流量调节装置所产生的变形。
利用流量调节装置6调节流体振荡器入口液流，增加了该装置在所要求的流动范围内的线性。通过使流速曲线平直(例如，使它更加象完全紊流流动)和引入紊流实现这种情况，因而通过减小射流流动状态的变化程度就使得仪表因数响应曲线平滑。通过干扰射流流动，改善从一种流动状态到另一种的过渡，所以紊流状态维持在较低流速，这样就降低了两种不同流动状态的界限，这种过渡比正常发生的过渡范围窄。
改善仪表因数的响应并不像仅仅改变从一种流动状态到另一种状态过渡发生的雷诺数那样简单，因为在流体振荡器总有许多其它过程，所有这些在某种程度上都取决于射流流动的状态。这些过程包括附壁效应、沿着附着壁4和流动腔内表面建立和分离边界层、回流通道5内的流液的流速曲线、回流的引入和射流的稳定。入口流动状态必须调节得适合并能提高流体振荡器的使用特性。
使用流量调节装置6在流量表入口处产生扰动，当流过收敛形入口通道1扰动就被放大。这就在通常在完全层流状态的射流流动中引入不稳定态。射流流动的不稳定通过附壁效应被放大，有助于模拟流量表在紊流状态下使用时的流动状态。在过渡和层流入口液流状态下维持射流流动中的紊流减小了在液流过渡的过程中斯特劳黑耳数随雷诺数的变化量。
使用流量调节装置6可以大大地改善流量表的线性，通过比较图3和图7可以看出这一点。当安装有流动流量调节装置时，流体振荡器的线性可以通过简单的线性和温度补偿系统使得其仪表因数响应可用。
第一种流量调节装置6(图4)由一圈大孔11环绕一系列小孔10组成。射流成形孔2的相对位置和斜度用虚线示意。该盘为厚2mm、直径为22mm的带孔盘，其上在7mm半径上有8个直径4mm的小孔11、在3mm半径上有8个直径1mm的孔10、在4.25mm半径上有16个直径1mm的小孔10、以及一个直径1mm的中心孔10。
利用第一种盘所产生的仪表因数响应(图5)从层流向过渡流以及从过渡流向紊流射流的改变很平滑。在从层流向过渡流改变的最小峰值的幅度相当小，如果仔细地选择表响应曲线的中线，除了在很低流速时，在大部分的范围内响应在±2％内。响应曲线的形状使得使用简单的线性和温度补偿系统即可满意地使用该曲线最好的直线模型。
已试验了增大流量调节装置的孔尺寸。孔尺寸的试验结果表明孔尺寸的减小确实改善了从层流到紊流状态的过渡，但是，孔排列的几何形状比孔尺寸对整个流量表线性的作用更明显。
也发现另一种形状的流量调节装置6可以产生相当平滑过渡区的仪表因数响应，它包括横向形成的孔的排列形式，即间隔的各列独立孔延伸于平行于射流成形孔2的方向上。如图6所示，除去各孔之间的材料形成长槽12。又发现第二种流量调节装置比第一种流量调节装置产生的效果更好(图4)。它压力损失较低，不易产生颗粒堵塞。
狭缝形流量调节装置6的几何形状如图6所示，它有三条宽度为3.2mm的平行长槽12，这些长槽由3.2mm宽的长形直的阻挡件13分隔。该盘也是直径22mm、厚2mm。
使用这种流量调节装置的仪表因数的响应图如图7所示。曲线很平直，从完全层流到完全紊流的变化很平滑。响应在从雷诺数550以上的很宽的流动范围内是线性的，仅仅在很低的流速时才要求线性补偿，此时，由于粘度阻尼效应降低了振荡频率，使得仪表因数随流速降低而上升。
狭缝形流量调节装置6的几何形状使得紊流从长槽12间的非流线形阻挡件13处以紊流的形式流出。每个紊流穿过收敛形流入通道，在射流成形孔2处产生强烈的扰动。该盘对垂直于射流成形孔2的平面上的流动的影响比平行于孔的平面上的流动要大。但是，因为收敛是仅在垂直于射流成形孔的平面上产生的，所以入口通道1的收敛是二维的。所以，收敛改变了垂直平面上流速曲线，放大了流量调节装置产生的扰动。
采用上述的任何一种流量调节装置6，从一种流动状态到另一种流动状态的过渡由于干扰射流而得以改善，以在较低的流速内维持紊流状态。这些盘能够在较低的雷诺数时起作用，改变层流(半抛物线)流速分布曲线，这样更象紊流曲线(平的)，提高了紊流度，所以整个流动状态更象在高雷诺数时的完全紊流状态。通过改变流量调节装置中孔排列形状(图4中中心区域的射流成形孔10以及外部区域的较大孔11)或通过适当地选择长槽12和阻挡件13的数目和间隔(图6)就可以获得平直的流速曲线。通过分别选择孔的直径或阻挡件的宽度获得正确的紊流度。通过流过的涡流和紊流旋涡形成紊流混合。使用流量调节装置振荡器入口液流的流动显形表明高速流动的紊流旋涡，在入口通道1中产生非常紊乱的流动。从流量调节装置装置中流过的涡流甚至在较低的雷诺数时使流入液流产生更大的混合。

Claims (9)

1.一种振荡射流型流体流量表，具有长形射流成形孔(2)，使从所述长形射流成形孔(2)中流出的射流在垂直于射流成形孔平面的平面上振荡，测量射流振荡的频率用来指示流量表中的流速，流量表还包括流量调节装置(6)，调节装置包括平直的主体，它位于射流成形孔的流入端，其特征在于，调节装置(6)形成多个孔，这些孔在垂直于主流动方向上间隔开，流入液流从其中流过，所述调节装置在层流和过渡的流入液流状态下可有效地使流速曲线平直，并向流动中引入紊流，在射流成形孔处模拟紊流流动状态。
2.如权利要求1所述的流体流量表，其特征在于，调节装置(6)是由较大的孔(11)包围着中间较小的孔(10)阵列。
3.如权利要求1或2所述的流体流量表，其特征在于，调节装置(6)平直的主体是多孔盘状。
4.如权利要求1或2所述的流体流量表，其特征在于，调节装置(6)通过入口通道(1)与射流成形孔(2)相连，入口通道在垂直于射流成形孔的平面上沿流动方向呈收敛形。
5.一种振荡射流型流体流量表，具有长形射流成形孔(2)，使从所述长形射流成形孔(2)中流出的射流在垂直于射流成形孔平面的平面上振荡，测量射流振荡的频率用来指示流量表中的流速，流量表还包括流量调节装置(6)，调节装置包括平直的主体，它位于射流成形孔的流入端，其特征在于，调节装置(6)形成非流线形的阻挡件(13)，它们在垂直于主流动方向上间隔开，并将流入液流穿过的长槽(12)分隔开，所述调节装置(6)在层流和过渡的流入液流状态下可有效地使流速曲线平直，并向流动中引入紊流，在射流成形孔处模拟紊流流动状态。
6.如权利要求5所述的流体流量表，其特征在于，每个长槽包括一排独立的孔。
7.如权利要求5所述的流体流量表，其特征在于，阻挡件(13)和长槽(12)位于平行于射流成形孔(2)平面的平面上。
8.如权利要求5至7中任一项所述的流体流量表，其特征在于，调节装置(6)平直的主体是多孔盘状。
9.如权利要求5至7中任一项所述的流体流量表，其特征在于，调节装置(6)通过入口通道(1)与射流成形孔(2)相连，入口通道在垂直于射流成形孔的平面上沿流动方向呈收敛形。
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