旋进漩涡流量调节装置流量调节特性研究

沈 雅，赵周琳，张洪军

（中国计量学院 计量测试工程学院，浙江 杭州310018）

工业生产和科学研究工作中需要进行流量精确测量和调节的场合随处可见.国际上相关技术和产品主要被发达国家垄断，美国的Fisher公司、日本工装（Koso）株式会社和山武株式会社等在高性能调节阀的研究上处于领先地位.近些年，国内相关科研单位也进行了大量研究工作.曾维诚［1］利用数控电磁阀和新型温度传感器，开发了流量调节装置，可以随温度变化自动地正比例或反比例调节流量.闻岩等人［2］设计了一种用于水泥篦冷机的机械式自动流量调节器，能实现每个蓖元上空气流量的自适应调节，达到冷却风量均匀分布.张琛等［3］研究了一种合理的三通流量调节装置，以保证地铁公共区间站厅层和站台层风量的分配.李哲［4］提出一种新的水流量自动调节装置的设计思想，旨在开发流量测量、调节为一体的测试调节装置.罗驰等［5］在蝶阀上增加配流板设计出智能流量控制阀.对于流量的测量控制，近年来也有不少的研究工作，陆倩倩等［6］设计并开发了集传感器技术、可编程逻辑控制器（PLC）、工控机和虚拟仪器于一体的计算机辅助电液比例变量泵自动测控系统，具有较高的测试精度和效率，能及时发现系统动作异常并可以进行自我保护.

目前，流量调节一般是通过在管道上分别安装调节阀和流量计来实现的.由于绝大部分流量计对前后直管段的长度等安装条件都有一定的要求，而现场一般很难达到，因此实际管道条件下流量测量和调节精度难以保证.调节阀是管道的一部分，调节阀与流量变送器之间的相互影响造成流量自动化控制精度和可靠性比较低，这已成为流量控制技术中的难题之一［7，8］.笔者在此提出一种旋进漩涡流量计与锥形阀组合的流量调节装置，该装置具有结构紧凑、安装方便、调节精度高、工作可靠等优点.我们通过实验方法对旋进漩涡流量调节装置的流量测量特性和流量调节特性进行了研究，并针对调节阀对流量测量的影响评估了流量调节的线性度.

1 旋进漩涡流量调节装置的组成和原理

旋进漩涡流量调节装置由旋进漩涡流量计和锥形调节阀组合相连而成，如图1，特征在于旋进漩涡流量计的入口通道作为调节阀的节流口.锥阀的密封性能好、过流能力强、响应快、抗污染能力强［9，10］；而旋进漩涡流量计内部无机械可动部件、耐腐蚀性好、量程比宽、抗干扰能力强.由于旋进漩涡流量计起旋器的整流作用，使得调节阀的存在对流量计测量不至产生很大影响.装置由阀杆将步进电机的旋转运动转化为阀芯的轴向移动，改变过流面积和过流量，阀芯调节范围0～8mm，对应阀门开度由小到大.工作时，流体进入调节阀，通过节流口进入流量计，在起旋器的强制旋转下形成漩涡流，中心是涡核，外围是环流.经过收缩段和喉部后漩涡流加速，沿流动方向涡核直径逐渐缩小，强度逐步加强，此时涡核与流量计中心线一致.然后进入扩张段，漩涡急剧减速，漩涡中心压力比周边压力低，产生局部回流，涡核偏离中心轴并绕轴线二次旋转，形成进动漩涡.由传感器测得压力脉动信号反馈给控制系统，调节阀芯开度，从而达到控制流量的目的.其中漩涡进动频率fp与流量Q成正比.因此只要用检测元件测出漩涡进动频率即可得到流量值.

图1 旋进漩涡流量调节装置示意图Figure 1 Sketch of the swirlmeter regulator

2 流量调节装置流量测量性能的研究

流量调节装置流量测量性能研究是在基于音速喷嘴气体流量标准装置的实验系统上进行的，实验系统如图2.实验用的流量调节装置口径为DN50.音速喷嘴气体流量标准装置由气罐、空压机、中控台、音速喷嘴和口径分别为DN15、DN25、DN50的三条工作管段组成.装置采用的是负压法，首先由空气压缩机将容器罐抽成真空，测试时空气流经被测流量调节装置和音速喷嘴组，流量被精确测量.流量设定和调节是通过控制不同标准流量的喷嘴组合方式来实现，全部由计算机控制.流量标准装置流量范围为0.25～128m3／h，精度等级为0.1级.

旋进漩涡流量计中采用单晶硅压力传感器测量气流的脉动压力，传感器直径为10mm，量程为±2.5kPa，提供0～5V的输出，响应频带0～20Hz.两个传感器探头在流量计扩张段的中位面180㊣对称分布，插入深度为突出扩张段内壁面6mm，这样的布置能提高信号强度，消除和减弱噪音影响［11，12］.测量的采样频率为4 500Hz.

图2 流量测量特性实验系统图Figure 2 System diagram of the experiment for flow measurement characteristic

将旋进漩涡流量调节装置安装在实验系统DN50的管道中进行测试.选取了20、30、40、80、100m3／h五个流量点.为了研究上游锥形阀对流量计输出信号的影响，针对加装和未加装锥形调节阀的情况分别进行了测试.图3和图4显示了流量同为100m3／h时，无调节阀和加入调节阀时漩涡进动的压力脉动信号及其频谱曲线.图3（a）和图4（a）中给出的是两个传感器的压力差分信号，可以看出，压力周期性脉动特征十分明显.图3（b）和图4（b）是压力差分信号的功率谱曲线，其中主要峰值对应的频率就是漩涡进动频率fp，可以看出锥形阀的存在对流量计输出信号产生了一定影响.

图3 流量计的压力测量数据（上游无锥形阀）Figure 3 Pressure data of the swirlmeter（without valve）

图4 流量计的压力测量数据（上游有锥形阀）Figure 4 Pressure data of the swirlmeter（with valve）

图5显示了漩涡进动频率和流量之间的关系.可见，在测量范围内，无论有无调节阀，漩涡进动频率和流量之间都存在很好的线性关系，上游加装调节阀后漩涡进动频率比未加装前的频率略低.表1列出了漩涡进动频率的具体数值，数据显示，加装调节阀后漩涡进动频率降低不超过5%.由于加装调节阀后进动频率与流量关系的依旧是良好的线性关系，所以经过校准后，流量调节装置本身的流量测量特性可以得到保证.

图5 漩涡进动频率与流量之间的关系Figure 5 Relation diagram of the precession frequency and the flow rate

图6 流量调节特性实验系统示意图Figure 6 System diagram of the experiment for flow regulation characteristic

表1 旋涡进动频率Table 1 Frequency of the swirl precession Hz

3 调节测量性能

流量调节装置调节测量性能的研究实验在油气水多相流标准装置上进行，采用其气路部分，如图6所示.图中直径为25mm的是水路，直径为40mm的是气路.选用的是50mm口径的标准表法实验装置，标准表为旋进漩涡流量计，精度为1.5%，重复性为0.1%，可测流量范围10～140m3／h.通过调节稳压罐下游的阀门可以调节流量调节装置的入口压力.实验中在5个不同进口压力下（0.110～0.230MPa）进行了测试，阀芯位置同样是在0～8mm之间变化.脉动压力采样频率4 500Hz，采集时间10s.

不同进口压力情况下，阀芯位置（即开度）与流量的关系曲线如图7.由图可见，同一进口压力时，流量随着阀门开度的增大而线性增大；而进口压力的增大时，流量也随之增大.开度与压损的关系如图8所示，从图中可以看出，在开度较小时，压损很大，当开度大于4mm后，压损以一种缓慢的趋势减小.表2中列出了进口压力为0.150MPa时，旋涡进动频率、流量以及压损的具体数值，开度从0mm增大到8mm时，漩涡进动频率从0Hz增大到300Hz左右.

图7 流量与开度的关系图Figure 7 Relation diagram of the flow rate and the opening of valve

图8 压损与开度的关系Figure 8 Relation diagram of the pressure loss and the opening of valve

表2 流量、压损与开度之间的关系Table 2 Relation between the flow rate，the pressure loss and the opening of valve

4 结 语

通过对旋进漩涡流量调节装置的流量测量性能和流量调节性能进行实验研究，对比不同压力和开度下的漩涡进动频率、流量、压降等，得到如下结论：

1）锥形调节阀的加装与否对下游旋进漩涡流量计流量测量影响不大，漩涡进动频率与流量仍然呈现良好的线性关系.实验范围内，由于锥形阀的加装引起的漩涡进动频率降低小于5%，经过校准，流量调节装置本身的流量测量特性可以得到保证.

2）对流量调节特性测试发现，在同一进口压力下，随着开度的增大，漩涡信号强度及频率不断增强，流量也随着开度的增大而增大，并且流量与开度呈明显的线性关系，说明装置的调节性能良好；在进口压力改变时，进口压力越大，同开度的漩涡进动信号越强，频率越大，流量随着进口压力的增大而增大.

［1］曾维诚.新型自动温度流量调节装置的研制［J］.佛山大学学报，1996，2（14）：56-60.

［2］闻 岩，刘 彬，李海滨.机械式自适应冷却气体流量调节器研究［J］.中国机械工程，2006，17（9）：64-67.

［3］张 琛，沈 凯，吴喜平，等.地铁公共区空调系统风管流量调节特性测试分析［J］.洁净与空调技术，2010（1）：13-15.

［4］李 哲.水流量自动调节装置的研究［D］.黑龙江：大庆石油学院，2007.

［5］罗 驰，麻剑锋，沈新荣，等.一种新型智能流量控制阀的研究［J］.工业仪表与自动化装置，2011（3）：109-112.

［6］陆倩倩，魏建华，赖振宁.基于虚拟仪器的电液比例变量泵自动测控系统［J］.传感技术学报，2009，22（4）：465-470.

［7］施俊良.调节阀的选择［M］.北京：中国建筑工业出版社，1986：46-54.

［8］HUTCHISON J W.ISA Handbook of control valves［M］.USA：Pennsylvania Instrument Soviety of America，1976：223-232.

［9］李 颖，杨东生.锥阀流场的数值模拟与结构优化［J］.科学技术与工程，2011，11（21）：5180-5183.

［10］高 红，傅 新，杨华勇.锥阀阀口气穴流场的数值模拟与试验研究［J］.机械工程学报，2002，38（8）：27-30.

［11］彭杰纲，傅 新，陈 鹰.基于FFT相位判别的旋进旋涡流量计抗流体脉动干扰方法［J］.仪器仪表学报，2004，25（2）：217-221.

［12］周 凯，张洪军，殷兴景，等.旋进旋涡流量计的数值模拟研究［J］.中国计量学院学报，2008，19（4）：314-318.