專利名稱：流體測量表的制作方法
背景技術(shù)：
在EP-A2-0381344中公開了一種流體回流振蕩器型的水表，適合用作家庭供水的水表。
正如所公開的內(nèi)容那樣，這種水表具有一個(gè)收斂形入口，與呈長狹縫狀的射流成形孔相通。狹縫引導(dǎo)水流進(jìn)入由分隔片隔開的擴(kuò)張形主管道。來自主管道的反饋回流回到鄰近入口的射流通道的相對兩側(cè)。液體射流束貼附到主管道的一壁面，然后再到另一面，反復(fù)地前后橫向擺動(dòng)，其頻率取決于流速。因此，測量振蕩的頻率就可以用來測定流速。如EP-A2-0381344所述，可以通過建立橫跨在至少一個(gè)管道內(nèi)磁場，測量在垂直于流動(dòng)方向和磁場方向上產(chǎn)生合成電勢差的頻率，來完成這樣的測量。
這種振蕩射流型流體流量表配有線性和溫度補(bǔ)償系統(tǒng)，由于低功率的算法微處理器的各種限制，受到其潛在的復(fù)雜性限制。由于這個(gè)及其它的原因，要求流體振蕩器的儀表因數(shù)響應(yīng)曲線盡可能呈線性，儀表因數(shù)的各變量應(yīng)是平滑過渡而不是急速的階躍變化。
特別是對于水表，這點(diǎn)很難做到。為了滿足家用水表的工作性能指標(biāo)，要求水表可在較大范圍的流動(dòng)狀況下工作，從低流速下的完全層流、通過過渡狀態(tài)到高流速下的完全紊流。通過不僅改變射流的流動(dòng)特性而且改變圍繞流量表內(nèi)部幾何形狀的復(fù)雜的局部流動(dòng)形態(tài)，隨著那些不同的流動(dòng)狀況而變化的管道內(nèi)流速分布曲線將影響流體振蕩流量表的性能。于是，變化的流動(dòng)狀況使流體振蕩器工作呈非線性，在流程內(nèi)儀表因數(shù)響應(yīng)會(huì)有突變。
眾所周知，利用各種裝置來改善管道內(nèi)的流動(dòng)特性，不僅僅限于流量表入口的流入端。這樣的裝置可以是通常稱作流動(dòng)調(diào)節(jié)器和流動(dòng)整流器的兩種中的一種。
流動(dòng)調(diào)節(jié)器通常用在完全紊流狀態(tài)，用以在入口管中某些擾動(dòng)后恢復(fù)標(biāo)準(zhǔn)(平)流速分布曲線。流動(dòng)調(diào)節(jié)器安裝在流量表上游端離流量表一定距離處(通常距流量表入口距離是5D到10D，此處D是管道直徑)，以流體進(jìn)入流量表之前可以重新建立標(biāo)準(zhǔn)流速曲線和紊流水平。這些裝置通常用于只要求在較高雷諾數(shù)下運(yùn)作的流量表上(例如紊流狀態(tài))。
另一類通常使用的流動(dòng)調(diào)節(jié)裝置是流動(dòng)整流器。利用流動(dòng)整流器來去掉管道中彎管后面直管的上游端長度不足的設(shè)施中的渦流。但是，流動(dòng)整流器不能使曲線對稱分布。
為了多種目的，需要流量表僅在一種流動(dòng)狀態(tài)下工作，也就是完全紊流的狀態(tài)，在這種固定不變的狀態(tài)下現(xiàn)有的調(diào)節(jié)裝置是有效的。但是，為了達(dá)到可以滿足家用水況測量指標(biāo)的流動(dòng)范圍，水表必須能夠在從完全紊流、過渡狀態(tài)到完全層流范圍的流動(dòng)狀態(tài)下工作?，F(xiàn)有的調(diào)節(jié)裝置和通常所用的方法未能提供一種解決問題的方法，即改善在如此大的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)運(yùn)作的流量表的線性。
因?yàn)楣鼙诘哪Σ磷饔?，在低流速時(shí)流體的流速在管道的所有位置處各不一樣(產(chǎn)生一種拋物線流速分布曲線)，當(dāng)流速增大，在流動(dòng)中開始形成紊流，因而在足夠高的雷諾數(shù)下，流動(dòng)變成完全紊流，管道內(nèi)流動(dòng)分布曲線變成平的。在水表的入口處紊流向?qū)恿鞯霓D(zhuǎn)變可能使得流體振蕩器中的流動(dòng)形式劇烈變化，導(dǎo)致斯特勞黑耳數(shù)隨雷諾數(shù)突然變化，形成明顯的非線性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了使振蕩射流型流體流量表在較大的入口流動(dòng)狀態(tài)的范圍內(nèi)包括完全形成紊流和在低雷諾數(shù)時(shí)呈過渡態(tài)或?qū)恿鞯牧鲃?dòng)，基本上保持線性。
本發(fā)明的一方面是提供一種振蕩射流型的流體流量表，其中使得從長形射流成形孔流出的射流在垂直于射流成形孔平面的平面上振蕩，射流的振蕩速率是可以測量的，可用來指示流量表中流速，流量表包括流動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，它位于射流成形孔的流入端，可在層流和過渡入口流動(dòng)狀態(tài)下有效地使流速曲線平直分布并可向流動(dòng)中引入紊流，在射流成形孔處模擬紊流狀態(tài)。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在入口流動(dòng)中引入擾動(dòng)不僅可以使流速曲線平直及向流動(dòng)中引入紊流，導(dǎo)致在射流成形孔處模擬完全成形的紊流，所以可以大大改善在較寬范圍內(nèi)(較低雷諾數(shù)以上)的流量表的線性。而且也發(fā)現(xiàn)，這樣調(diào)節(jié)入口流動(dòng)也可以使流量表在比其他情況更低的流速使用，流速減小時(shí)射流振蕩可維持得更長；這就使流量表使用范圍更大。本發(fā)明更進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)在于安裝條件允差可以更大，盡管由于流入端擾動(dòng)而使得入口流動(dòng)狀態(tài)變化，使用調(diào)節(jié)裝置使得流入射流成形孔的流動(dòng)均勻一致。
調(diào)節(jié)裝置最好安裝在緊鄰或就位于入口通道中，入口通道與射流成形孔相通，它在垂直于射流成形孔平面的各平面上沿流動(dòng)方向呈收斂形。這樣的入口通道具有放大調(diào)節(jié)裝置所引入的紊流效應(yīng)的作用，因而在射流成形孔處模擬完全成形的紊流流動(dòng)。
在一種有效的結(jié)構(gòu)中，調(diào)節(jié)裝置形成多個(gè)孔，這些孔在垂直于主流動(dòng)方向上間隔開，流入液流從其中流過。最好這些孔都在垂直于流動(dòng)方向的平面上，在一種最佳設(shè)計(jì)中，它們是由較大的孔包圍著中間較小孔陣列。調(diào)節(jié)裝置可以由多孔盤狀的主體組成，它延伸成為液流的阻隔物。
在另一種的有效結(jié)構(gòu)中，調(diào)節(jié)裝置形成外流線形的長形阻擋元件，它們在垂直于主流動(dòng)方向上間隔開，并將流入液流穿過的細(xì)長通道分隔開。每個(gè)流動(dòng)通道可以包括一排分開的孔，或者呈單個(gè)的長狹縫狀。在任一種情況下，長形阻擋元件和流動(dòng)通道最好在平行于射流成形孔平面的平面上。調(diào)節(jié)裝置也可由多孔盤狀的主體組成，它延伸成為液流的阻隔物。
下面參照附圖對流體流量表及作為例子示意本發(fā)明的幾種流動(dòng)調(diào)節(jié)器進(jìn)行詳細(xì)的說明。
附圖簡介

圖1是從入口端所看到的本發(fā)明流體流量表主體的立體圖。
圖2是該流量表主體的平面圖；圖3在沒有任何入口流動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)這種流量表中儀表因數(shù)響應(yīng)曲線；圖4是一個(gè)軸向視圖，示出調(diào)節(jié)盤第一個(gè)實(shí)施例的孔排列形式；圖5是使用圖4所示的調(diào)節(jié)盤所獲得的儀表因數(shù)響應(yīng)曲線；圖6是調(diào)節(jié)盤第二個(gè)實(shí)施例中的狹縫的排列形式；圖7是使用圖6所示的狹縫形調(diào)節(jié)盤所獲得的儀表因數(shù)響應(yīng)曲線。
實(shí)施例圖1和2示出用于測量家庭供水量的振蕩射流型流體流量表的幾何形狀。流量表是回流流體振蕩型，它包括通向細(xì)長射流成形孔2的收斂形流入通道1(該射流成形孔呈狹縫狀，位于與圖2的平面垂直的方向上)，分隔柱3，兩個(gè)漸擴(kuò)的附著壁4，以及兩個(gè)回流通道5。在EP-A-0381344中描述了這種結(jié)構(gòu)的流量表。在圖2中用箭頭表示流入液流的方向，液流通過流入通道入口處的調(diào)節(jié)盤6進(jìn)入流入通道1中，該調(diào)節(jié)盤是多孔形平板。
當(dāng)流體流入流量表中時(shí)，通過收斂形流入通道1和射流成形孔2形成射流。流入通道僅在垂直于射流成形孔平面的各平面上是收斂的。附著壁4通過附壁效應(yīng)對射流施加作用力，射流就向一個(gè)壁彎曲，并沿該壁流動(dòng)。射流首先附著的那個(gè)壁是由射流中被附壁效應(yīng)放大的隨機(jī)波動(dòng)決定的。
射流沿著附著壁4流動(dòng)，流過分隔柱3的一側(cè)，再流過流量表的出口7。當(dāng)流動(dòng)偏向一側(cè)時(shí)，主流中的一些流體被帶入到附近的回流通道5中，流過該通道，到達(dá)射流成形孔的出口附近并與射流流動(dòng)呈直角?；亓饕毫鞅粠氲缴淞鞒尚慰缀蛿U(kuò)散器壁之間的分離水泡。在分離水泡變得較大時(shí)，射流離開附著壁，直到射流遇到分隔柱3之前，在此，分離水泡破裂，射流貼附到對面的附著壁上。這樣，通過相對的回流通道5重復(fù)其回流過程。射流持續(xù)的橫向振蕩就形成了，其振蕩的頻率取決于流速。
利用電磁感應(yīng)測量水表中的振蕩。安裝在附著壁4上的兩個(gè)永久磁體8產(chǎn)生一個(gè)與射流垂直的磁場，在流體中產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢。利用安裝在分隔柱3兩側(cè)流動(dòng)腔頂部的不銹鋼電極9測量感應(yīng)電勢。因?yàn)殡娔苁怯呻姶鸥袘?yīng)效應(yīng)產(chǎn)生的，測量元件本身不需要電能。水表需要的唯一的電能是用來放大和處理產(chǎn)生的信號的。
圖3示出沒有調(diào)節(jié)盤6的條件下工作的流量表的儀表因數(shù)(每個(gè)脈沖的流量)與雷諾數(shù)的關(guān)系圖。當(dāng)雷諾數(shù)大于2500時(shí)，響應(yīng)相對平直，該裝置運(yùn)作在±1.25％之內(nèi)的線性范圍內(nèi)。這種情況對應(yīng)于射流中完全紊流的狀態(tài)。
當(dāng)雷諾數(shù)在700到2500之間時(shí)，在儀表因數(shù)特性中出現(xiàn)峰值。隨著雷諾數(shù)的變化儀表因數(shù)的急速變化意味著流體振蕩器沒有在線性狀態(tài)下工作，峰值間的差值大于±5％。在這些雷諾數(shù)下，流入液流狀態(tài)是過渡態(tài)。
當(dāng)雷諾數(shù)小于700時(shí)，儀表因數(shù)特性隨雷諾數(shù)的下降逐漸上升。這是由于粘度阻尼使振蕩頻率的減小遠(yuǎn)比隨雷諾數(shù)的頻率變化大。一旦雷諾數(shù)低于一個(gè)最小值時(shí)，射流流動(dòng)就變得穩(wěn)定，振蕩就完全停止。
當(dāng)流速減小時(shí)，入口處的流速曲線分布越來越呈拋物線性，射流中的紊流度就更加穩(wěn)定。射流穩(wěn)定性的變化程度和振蕩器中流動(dòng)狀態(tài)的變化引起振蕩頻率隨流速的變化率的改變。當(dāng)射流流動(dòng)狀態(tài)是過渡態(tài)和層流時(shí)，這就會(huì)產(chǎn)生非線性的儀表因數(shù)特性，從使用的角度來看，這是不希望的。
隨著截面寬度的減小，收斂形流入通道1(在緊鄰射流成形孔2的流入端)本身改變了流動(dòng)的分布形態(tài)。流動(dòng)調(diào)節(jié)器6安裝在緊鄰收斂處的流入端，這樣收斂就放大和增加了調(diào)節(jié)器所產(chǎn)生的變形。
利用調(diào)節(jié)盤6調(diào)節(jié)流體振蕩器入口液流，增加了該裝置在所要求的流動(dòng)范圍內(nèi)的線性。通過使流速曲線平直(例如，使它更加象完全紊流流動(dòng))和引入紊流實(shí)現(xiàn)這種情況，因而通過減小射流流動(dòng)狀態(tài)的變化程度就使得儀表因數(shù)響應(yīng)曲線平滑。通過干擾射流流動(dòng)，改善從一種流動(dòng)狀態(tài)到另一種的過渡，所以紊流狀態(tài)維持在較低流速，這樣就降低了兩種不同流動(dòng)狀態(tài)的界限，這種過渡比正常發(fā)生的過渡范圍窄。
改善儀表因數(shù)的響應(yīng)并不像僅僅改變從一種流動(dòng)狀態(tài)到另一種狀態(tài)過渡發(fā)生的雷諾數(shù)那樣簡單，因?yàn)樵诹黧w振蕩器總有許多其它過程，所有這些在某種程度上都取決于射流流動(dòng)的狀態(tài)。這些過程包括附壁效應(yīng)、沿著附著壁4和流動(dòng)腔內(nèi)表面建立和分離邊界層、回流通道5內(nèi)的流液的流速曲線、回流的引入和射流的穩(wěn)定。入口流動(dòng)狀態(tài)必須調(diào)節(jié)得適合并能提高流體振蕩器的使用特性。
使用調(diào)節(jié)盤6在流量表入口處產(chǎn)生擾動(dòng)，當(dāng)流過收斂形入口通道1擾動(dòng)就被放大。這就在通常在完全層流狀態(tài)的射流流動(dòng)中引入不穩(wěn)定態(tài)。射流流動(dòng)的不穩(wěn)定通過附壁效應(yīng)被放大，有助于模擬流量表在紊流狀態(tài)下使用時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)。在過渡和層流入口液流狀態(tài)下維持射流流動(dòng)中的紊流減小了在液流過渡的過程中斯特勞黑耳數(shù)隨雷諾數(shù)的變化量。
使用調(diào)節(jié)盤6可以大大地改善流量表的線性，通過比較圖3和圖7可以看出這一點(diǎn)。當(dāng)安裝有流動(dòng)調(diào)節(jié)器時(shí)，流體振蕩器的線性可以通過簡單的線性和溫度補(bǔ)償系統(tǒng)使得其儀表因數(shù)響應(yīng)可用。
第一種調(diào)節(jié)盤6(圖4)由一圈大孔11環(huán)繞一系列小孔10組成。射流成形孔2的相對位置和斜度用虛線示意。該盤為厚2mm、直徑為22mm的帶孔盤，其上在7mm半徑上有8個(gè)直徑4mm的小孔11、在3mm半徑上有8個(gè)直徑1mm的孔10、在4.25mm半徑上有16個(gè)直徑1mm的小孔10、以及一個(gè)直徑1mm的中心孔10。
利用第一種盤所產(chǎn)生的儀表因數(shù)響應(yīng)(圖5)從層流向過渡流以及從過渡流向紊流射流的改變很平滑。在從層流向過渡流改變的最小峰值的幅度相當(dāng)小，如果仔細(xì)地選擇表響應(yīng)曲線的中線，除了在很低流速時(shí)，在大部分的范圍內(nèi)響應(yīng)在±2％內(nèi)。響應(yīng)曲線的形狀使得使用簡單的線性和溫度補(bǔ)償系統(tǒng)即可滿意地使用該曲線最好的直線模型。
已試驗(yàn)了增大調(diào)節(jié)盤的孔尺寸?？壮叽绲脑囼?yàn)結(jié)果表明孔尺寸的減小確實(shí)改善了從層流到紊流狀態(tài)的過渡，但是，孔排列的幾何形狀比孔尺寸對整個(gè)流量表線性的作用更明顯。
也發(fā)現(xiàn)另一種形狀的調(diào)節(jié)盤6可以產(chǎn)生相當(dāng)平滑過渡區(qū)的儀表因數(shù)響應(yīng)，它包括橫向形成的孔的排列形式，即間隔的各列獨(dú)立孔延伸于平行于射流成型孔2的方向上。如圖6所示，除去各孔之間的材料形成狹縫12。又發(fā)現(xiàn)第二種調(diào)節(jié)器比第一種調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的效果更好(圖4)。它壓力損失較低，不易產(chǎn)生顆粒堵塞。
狹縫形調(diào)節(jié)盤6的幾何形狀如圖6所示，它有三條寬度為3.2mm的平行狹縫12，這些狹縫由3.2mm寬的長形直的阻擋區(qū)13分隔。該盤也是直徑22mm、厚2mm。
使用這種調(diào)節(jié)器的儀表因數(shù)的響應(yīng)圖如圖7所示。曲線很平直，從完全層流到完全紊流的變化很平滑。響應(yīng)在從雷諾數(shù)550以上的很寬的流動(dòng)范圍內(nèi)是線性的，僅僅在很低的流速時(shí)才要求線性補(bǔ)償，此時(shí)，由于粘度阻尼效應(yīng)降低了振蕩頻率，使得儀表因數(shù)隨流速降低而上升。
狹縫形調(diào)節(jié)盤6的幾何形狀使得紊流從狹縫12間的非流線形阻擋區(qū)13處以紊流的形式流出。每個(gè)紊流穿過收斂形流入通道，在射流成形孔2處產(chǎn)生強(qiáng)烈的擾動(dòng)。該盤對垂直于射流成形孔2的平面上的流動(dòng)的影響比平行于孔的平面上的流動(dòng)要大。但是，因?yàn)槭諗渴莾H在垂直于射流成形孔的平面上產(chǎn)生的，所以入口通道1的收斂是二維的。所以，收斂改變了垂直平面上流速曲線，放大了調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的擾動(dòng)。
采用上述的任何一種調(diào)節(jié)盤6，從一種流動(dòng)狀態(tài)到另一種流動(dòng)狀態(tài)的過渡由于干擾射流而得以改善，以在較低的流速內(nèi)維持紊流狀態(tài)。這些盤能夠在較低的雷諾數(shù)時(shí)起作用，改變層流(半拋物線)流速分布曲線，這樣更象紊流曲線(平的)，提高了紊流度，所以整個(gè)流動(dòng)狀態(tài)更象在高雷諾數(shù)時(shí)的完全紊流狀態(tài)。通過改變調(diào)節(jié)盤中孔排列形狀(圖4中中心區(qū)域的射流成形孔10以及外部區(qū)域的較大孔11)或通過適當(dāng)?shù)剡x擇狹縫12和阻擋區(qū)13的數(shù)目和間隔(圖6)就可以獲得平直的流速曲線。通過分別選擇孔的直徑或阻擋區(qū)的寬度獲得正確的紊流度。通過流過的渦流和紊流旋渦形成紊流混合。使用調(diào)節(jié)器振蕩器入口液流的流動(dòng)顯形表明高速流動(dòng)的紊流旋渦，在入口通道1中產(chǎn)生非常紊亂的流動(dòng)。從調(diào)節(jié)器裝置中流過的渦流甚至在較低的雷諾數(shù)時(shí)使流入液流產(chǎn)生更大的混合。
權(quán)利要求
1.一種振蕩射流型流體流量表，其中，使從長形射流成形孔(2)中流出的射流在垂直于射流成形孔平面的平面上振蕩，測量射流振蕩的頻率，用來指示流量表中的流速，流量表包括流量調(diào)節(jié)裝置(6)，調(diào)節(jié)裝置位于射流成形孔的流入端，在層流和過渡流入液流狀態(tài)下可有效地使流速曲線平直，并向液流中引入紊流，在射流成形孔處模擬紊流流動(dòng)狀態(tài)。
2.如權(quán)利要求1所述的流體流量表，其特征在于，調(diào)節(jié)裝置(6)形成多個(gè)孔(12)，這些孔在垂直于主流動(dòng)方向上間隔開，流入液流從其中流過。
3.如權(quán)利要求2所述的流體流量表，其特征在于，調(diào)節(jié)裝置(6)是由較大的孔(11)包圍著中間的較小孔(10)陣列。
4.如權(quán)利要求3所述的流體流量表，其特征在于，調(diào)節(jié)裝置(6)可以由多孔盤狀的主體組成。
5.如權(quán)利要求1所述的流體流量表，其特征在于，調(diào)節(jié)裝置(6)形成非流線形的長阻擋元件(13)，它們在垂直于主流動(dòng)方向上間隔開，并將流入液流穿過的長通道(12)分隔開。
6.如權(quán)利要求5所述的流體流量表，其特征在于，每個(gè)長流動(dòng)通道包括一排獨(dú)立的孔。
7.如權(quán)利要求5所述的流體流量表，其特征在于，每個(gè)長流動(dòng)通道呈長狹縫狀(12)。
8.如權(quán)利要求5所述的流體流量表，其特征在于，長阻擋元件(13)和長通道(12)位于平行于射流成形孔(2)平面的平面上。
9.如權(quán)利要求5至8中任一個(gè)所述的流體流量表，其特征在于，調(diào)節(jié)裝置(6)可以由多孔盤狀的主體組成。
10.如權(quán)利要求1至9中任一個(gè)所述的流體流量表，其特征在于，調(diào)節(jié)裝置(6)通過入口通道(1)與射流成形孔(2)相連，入口通道在垂直于射流成形孔的平面上沿流動(dòng)方向呈收斂形。
11.一種振蕩射流型流體流量表，其中，使從長形射流成形孔(2)中流出的射流在垂直于射流成形孔平面的平面上振蕩，測量射流振蕩的頻率用來指示流量表中的流速，流量表包括流量調(diào)節(jié)裝置(6)，調(diào)節(jié)裝置位于射流成形孔的流入端，通過入口通道(1)與射流成形孔(2)相連，射流成形孔(2)在垂直于射流成形孔的平面上沿流動(dòng)方向呈收斂形，調(diào)節(jié)裝置形成非流線形長阻擋元件(13)，它們在垂直于主流動(dòng)方向上間隔開，并基本上垂直于流動(dòng)方向且平行于射流成形孔，調(diào)節(jié)裝置的作用在層流和過渡流入液流狀態(tài)下使流速曲線平直，并向流動(dòng)中引入紊流，在射流成形孔處模擬紊流流動(dòng)狀態(tài)。
全文摘要
一種用作家用水表的振蕩射流型流體流量表,在入口處具有調(diào)節(jié)盤(6),提高了水表的線性。該盤位于長射流成形孔的流入端,位于通向射流成形孔的收斂形入口通道的入口處。該盤可以是有狹縫的盤的形狀,具有三個(gè)被非流線形的長阻擋區(qū)(13)隔開的狹縫(12),狹縫和阻擋區(qū)與射流成形孔平行。調(diào)節(jié)盤在層流和過渡流入液流狀態(tài)下可有效地使流速曲線平直,并向流動(dòng)中引入紊流,在射流成形孔處模擬紊流流動(dòng)狀態(tài)。
文檔編號G01F1/20GK1270667SQ9619926
公開日2000年10月18日 申請日期1996年12月16日 優(yōu)先權(quán)日1995年12月20日
發(fā)明者奈爾·福密之, 邁克爾蘭里·桑德森 申請人:斯為恩純特水有限公司