沈 雅，趙周琳，張洪軍

（中國計量學(xué)院 計量測試工程學(xué)院，浙江 杭州310018）

工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究工作中需要進(jìn)行流量精確測量和調(diào)節(jié)的場合隨處可見.國際上相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品主要被發(fā)達(dá)國家壟斷，美國的Fisher公司、日本工裝（Koso）株式會社和山武株式會社等在高性能調(diào)節(jié)閥的研究上處于領(lǐng)先地位.近些年，國內(nèi)相關(guān)科研單位也進(jìn)行了大量研究工作.曾維誠［1］利用數(shù)控電磁閥和新型溫度傳感器，開發(fā)了流量調(diào)節(jié)裝置，可以隨溫度變化自動地正比例或反比例調(diào)節(jié)流量.聞巖等人［2］設(shè)計了一種用于水泥篦冷機(jī)的機(jī)械式自動流量調(diào)節(jié)器，能實(shí)現(xiàn)每個蓖元上空氣流量的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，達(dá)到冷卻風(fēng)量均勻分布.張琛等［3］研究了一種合理的三通流量調(diào)節(jié)裝置，以保證地鐵公共區(qū)間站廳層和站臺層風(fēng)量的分配.李哲［4］提出一種新的水流量自動調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計思想，旨在開發(fā)流量測量、調(diào)節(jié)為一體的測試調(diào)節(jié)裝置.羅馳等［5］在蝶閥上增加配流板設(shè)計出智能流量控制閥.對于流量的測量控制，近年來也有不少的研究工作，陸倩倩等［6］設(shè)計并開發(fā)了集傳感器技術(shù)、可編程邏輯控制器（PLC）、工控機(jī)和虛擬儀器于一體的計算機(jī)輔助電液比例變量泵自動測控系統(tǒng)，具有較高的測試精度和效率，能及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)動作異常并可以進(jìn)行自我保護(hù).

目前，流量調(diào)節(jié)一般是通過在管道上分別安裝調(diào)節(jié)閥和流量計來實(shí)現(xiàn)的.由于絕大部分流量計對前后直管段的長度等安裝條件都有一定的要求，而現(xiàn)場一般很難達(dá)到，因此實(shí)際管道條件下流量測量和調(diào)節(jié)精度難以保證.調(diào)節(jié)閥是管道的一部分，調(diào)節(jié)閥與流量變送器之間的相互影響造成流量自動化控制精度和可靠性比較低，這已成為流量控制技術(shù)中的難題之一［7，8］.筆者在此提出一種旋進(jìn)漩渦流量計與錐形閥組合的流量調(diào)節(jié)裝置，該裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、調(diào)節(jié)精度高、工作可靠等優(yōu)點(diǎn).我們通過實(shí)驗(yàn)方法對旋進(jìn)漩渦流量調(diào)節(jié)裝置的流量測量特性和流量調(diào)節(jié)特性進(jìn)行了研究，并針對調(diào)節(jié)閥對流量測量的影響評估了流量調(diào)節(jié)的線性度.

1 旋進(jìn)漩渦流量調(diào)節(jié)裝置的組成和原理

旋進(jìn)漩渦流量調(diào)節(jié)裝置由旋進(jìn)漩渦流量計和錐形調(diào)節(jié)閥組合相連而成，如圖1，特征在于旋進(jìn)漩渦流量計的入口通道作為調(diào)節(jié)閥的節(jié)流口.錐閥的密封性能好、過流能力強(qiáng)、響應(yīng)快、抗污染能力強(qiáng)［9，10］；而旋進(jìn)漩渦流量計內(nèi)部無機(jī)械可動部件、耐腐蝕性好、量程比寬、抗干擾能力強(qiáng).由于旋進(jìn)漩渦流量計起旋器的整流作用，使得調(diào)節(jié)閥的存在對流量計測量不至產(chǎn)生很大影響.裝置由閥桿將步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為閥芯的軸向移動，改變過流面積和過流量，閥芯調(diào)節(jié)范圍0～8mm，對應(yīng)閥門開度由小到大.工作時，流體進(jìn)入調(diào)節(jié)閥，通過節(jié)流口進(jìn)入流量計，在起旋器的強(qiáng)制旋轉(zhuǎn)下形成漩渦流，中心是渦核，外圍是環(huán)流.經(jīng)過收縮段和喉部后漩渦流加速，沿流動方向渦核直徑逐漸縮小，強(qiáng)度逐步加強(qiáng)，此時渦核與流量計中心線一致.然后進(jìn)入擴(kuò)張段，漩渦急劇減速，漩渦中心壓力比周邊壓力低，產(chǎn)生局部回流，渦核偏離中心軸并繞軸線二次旋轉(zhuǎn)，形成進(jìn)動漩渦.由傳感器測得壓力脈動信號反饋給控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)閥芯開度，從而達(dá)到控制流量的目的.其中漩渦進(jìn)動頻率fp與流量Q成正比.因此只要用檢測元件測出漩渦進(jìn)動頻率即可得到流量值.

圖1 旋進(jìn)漩渦流量調(diào)節(jié)裝置示意圖Figure 1 Sketch of the swirlmeter regulator

2 流量調(diào)節(jié)裝置流量測量性能的研究

流量調(diào)節(jié)裝置流量測量性能研究是在基于音速噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2.實(shí)驗(yàn)用的流量調(diào)節(jié)裝置口徑為DN50.音速噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置由氣罐、空壓機(jī)、中控臺、音速噴嘴和口徑分別為DN15、DN25、DN50的三條工作管段組成.裝置采用的是負(fù)壓法，首先由空氣壓縮機(jī)將容器罐抽成真空，測試時空氣流經(jīng)被測流量調(diào)節(jié)裝置和音速噴嘴組，流量被精確測量.流量設(shè)定和調(diào)節(jié)是通過控制不同標(biāo)準(zhǔn)流量的噴嘴組合方式來實(shí)現(xiàn)，全部由計算機(jī)控制.流量標(biāo)準(zhǔn)裝置流量范圍為0.25～128m3／h，精度等級為0.1級.

旋進(jìn)漩渦流量計中采用單晶硅壓力傳感器測量氣流的脈動壓力，傳感器直徑為10mm，量程為±2.5kPa，提供0～5V的輸出，響應(yīng)頻帶0～20Hz.兩個傳感器探頭在流量計擴(kuò)張段的中位面180㊣對稱分布，插入深度為突出擴(kuò)張段內(nèi)壁面6mm，這樣的布置能提高信號強(qiáng)度，消除和減弱噪音影響［11，12］.測量的采樣頻率為4 500Hz.

圖2 流量測量特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Figure 2 System diagram of the experiment for flow measurement characteristic

將旋進(jìn)漩渦流量調(diào)節(jié)裝置安裝在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)DN50的管道中進(jìn)行測試.選取了20、30、40、80、100m3／h五個流量點(diǎn).為了研究上游錐形閥對流量計輸出信號的影響，針對加裝和未加裝錐形調(diào)節(jié)閥的情況分別進(jìn)行了測試.圖3和圖4顯示了流量同為100m3／h時，無調(diào)節(jié)閥和加入調(diào)節(jié)閥時漩渦進(jìn)動的壓力脈動信號及其頻譜曲線.圖3（a）和圖4（a）中給出的是兩個傳感器的壓力差分信號，可以看出，壓力周期性脈動特征十分明顯.圖3（b）和圖4（b）是壓力差分信號的功率譜曲線，其中主要峰值對應(yīng)的頻率就是漩渦進(jìn)動頻率fp，可以看出錐形閥的存在對流量計輸出信號產(chǎn)生了一定影響.

圖3 流量計的壓力測量數(shù)據(jù)（上游無錐形閥）Figure 3 Pressure data of the swirlmeter（without valve）

圖4 流量計的壓力測量數(shù)據(jù)（上游有錐形閥）Figure 4 Pressure data of the swirlmeter（with valve）

圖5顯示了漩渦進(jìn)動頻率和流量之間的關(guān)系.可見，在測量范圍內(nèi)，無論有無調(diào)節(jié)閥，漩渦進(jìn)動頻率和流量之間都存在很好的線性關(guān)系，上游加裝調(diào)節(jié)閥后漩渦進(jìn)動頻率比未加裝前的頻率略低.表1列出了漩渦進(jìn)動頻率的具體數(shù)值，數(shù)據(jù)顯示，加裝調(diào)節(jié)閥后漩渦進(jìn)動頻率降低不超過5%.由于加裝調(diào)節(jié)閥后進(jìn)動頻率與流量關(guān)系的依舊是良好的線性關(guān)系，所以經(jīng)過校準(zhǔn)后，流量調(diào)節(jié)裝置本身的流量測量特性可以得到保證.

圖5 漩渦進(jìn)動頻率與流量之間的關(guān)系Figure 5 Relation diagram of the precession frequency and the flow rate

圖6 流量調(diào)節(jié)特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Figure 6 System diagram of the experiment for flow regulation characteristic

表1 旋渦進(jìn)動頻率Table 1 Frequency of the swirl precession Hz

3 調(diào)節(jié)測量性能

流量調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)測量性能的研究實(shí)驗(yàn)在油氣水多相流標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行，采用其氣路部分，如圖6所示.圖中直徑為25mm的是水路，直徑為40mm的是氣路.選用的是50mm口徑的標(biāo)準(zhǔn)表法實(shí)驗(yàn)裝置，標(biāo)準(zhǔn)表為旋進(jìn)漩渦流量計，精度為1.5%，重復(fù)性為0.1%，可測流量范圍10～140m3／h.通過調(diào)節(jié)穩(wěn)壓罐下游的閥門可以調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)裝置的入口壓力.實(shí)驗(yàn)中在5個不同進(jìn)口壓力下（0.110～0.230MPa）進(jìn)行了測試，閥芯位置同樣是在0～8mm之間變化.脈動壓力采樣頻率4 500Hz，采集時間10s.

不同進(jìn)口壓力情況下，閥芯位置（即開度）與流量的關(guān)系曲線如圖7.由圖可見，同一進(jìn)口壓力時，流量隨著閥門開度的增大而線性增大；而進(jìn)口壓力的增大時，流量也隨之增大.開度與壓損的關(guān)系如圖8所示，從圖中可以看出，在開度較小時，壓損很大，當(dāng)開度大于4mm后，壓損以一種緩慢的趨勢減小.表2中列出了進(jìn)口壓力為0.150MPa時，旋渦進(jìn)動頻率、流量以及壓損的具體數(shù)值，開度從0mm增大到8mm時，漩渦進(jìn)動頻率從0Hz增大到300Hz左右.

圖7 流量與開度的關(guān)系圖Figure 7 Relation diagram of the flow rate and the opening of valve

圖8 壓損與開度的關(guān)系Figure 8 Relation diagram of the pressure loss and the opening of valve

表2 流量、壓損與開度之間的關(guān)系Table 2 Relation between the flow rate，the pressure loss and the opening of valve

4 結(jié) 語

通過對旋進(jìn)漩渦流量調(diào)節(jié)裝置的流量測量性能和流量調(diào)節(jié)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，對比不同壓力和開度下的漩渦進(jìn)動頻率、流量、壓降等，得到如下結(jié)論：

1）錐形調(diào)節(jié)閥的加裝與否對下游旋進(jìn)漩渦流量計流量測量影響不大，漩渦進(jìn)動頻率與流量仍然呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系.實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，由于錐形閥的加裝引起的漩渦進(jìn)動頻率降低小于5%，經(jīng)過校準(zhǔn)，流量調(diào)節(jié)裝置本身的流量測量特性可以得到保證.

2）對流量調(diào)節(jié)特性測試發(fā)現(xiàn)，在同一進(jìn)口壓力下，隨著開度的增大，漩渦信號強(qiáng)度及頻率不斷增強(qiáng)，流量也隨著開度的增大而增大，并且流量與開度呈明顯的線性關(guān)系，說明裝置的調(diào)節(jié)性能良好；在進(jìn)口壓力改變時，進(jìn)口壓力越大，同開度的漩渦進(jìn)動信號越強(qiáng)，頻率越大，流量隨著進(jìn)口壓力的增大而增大.

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