| 单词 | 瞬态流量计 |
| 释义 | 【瞬态流量计】 拼译：transient flowmeter 是用来指示或记录瞬态流量值的通用仪表。严格地说，压力、流量都是随时间而变化的量，压力的测量和稳态平均流量信号的测量方法和仪表已比较成熟，唯独这动态流量信号的测取，至今尚未获得彻底圆满的解决，属流体传动及控制领域研究最活跃、最难的课题之一，其原因在于：(1)非定常流动情况下，管路断面上流速分布非常复杂；(2)管道流动中，由于粘性、惯性、伯努利效应及局部压力损失等影响的存在，流量和流速、压力差之间的传递关系尚未研究得十分清楚，所获知的数学转换模型显得极其复杂，需借助计算机进行处理、且运算时间过长；(3)鉴于质量惯性会给可测频带范围带来不利影响，在结构上限制了可动部分方案的实施。即使存在不动的伸入部分，也会对流场规律带来复杂的影响；(4)尚无可靠和为国际上公认的标定方法和装置，即还存在标定基准的确认问题。 但是，随着世界科学技术的高速发展，不仅对定常流动下的积算流量，时平均流量的测定精度要求愈来愈高，而且对包括各种形式非定常流动下的高频脉动流量的准确、实时测定也提出了迫切的要求。仅就液压工业发展方面看，瞬态流量计量是开发研制高性能液压元件、系统，进行可靠性分析、故障诊断等研究的重要手段。值得指出的是：市面上常把测量过流流体体积的累积式流量计(如椭圆齿轮式流量计、涡轮式流量计等)加上转速传感输出显示，亦称之为瞬态流量计，这是不妥的。因为其显示的只是相应于测量时刻的平均流量。早在70年代，英国博恩思(D．E．Boons)等就提出了利用热交换信息测瞬态流量的方法。利用热膜风速仪来间接测定瞬态流量，测量范围可达0～2，8×103cm3／s，频率响应可达700Hz，但是鉴于热交换是一个很复杂的过程，流速、温度、比热等等因素都会对测量精度产生较大影响，故难以推广应用。1982年日本内山等提出了一个利用卡尔曼(Kalman)滤波器的流量测定运算系统。其实施方案是借助激光多普勒测速仪测得管道中心流速并由此推定压力梯度，然后将信号通过能估算断面各点流速分布的滤波器电路，再沿断面对各点流速进行积分求得流量。但上述变量的顺次推算需要一定的演算时间。同年，高桥等提出了利用小锥角文吐里(Vanturi)管，通过压差信号转换，求得断面各点流速的另一专用测算系统。沿断面对各点流速积分，同样可求知流量。当雷诺数小于450，无因次流量脉动幅度小于0、2的范围内，数十赫兹内的脉动流量测定结果和理论计算值一致。显然，此法只适应于低频的稳定流动状态。1984年中野等又提出从管路中心流速直接推知流量的测算方法。管路中心流速由激光多普勒测速仪测取，利用管路流动动特性的加权函数近似表示式与输入流速信号的卷积积分算法，推知瞬态流量。由于设有专用的乘算、加算信号处理回路，推算一个时刻的流量值仅需16．6ms。1986年浙江大学发表了能满足电液比例控制中检测和内部流量反馈要求的动态流量计研究论文，使上述方法性研究向实用化方面跨进了一步。该法主体采用插装阀式结构，阀口为特殊形状，目的是补偿非线性因素，获得线性的流量－位移转换关系。然后经耐压差动式位移传感器测出，获得与过流量成比例的输出电压。鉴于存在有一定质量的可动件，因此工作频带受限，约为50Hz。但它具备温度敏感性低以及不限于层流状态下使用的优点。同期，日本东京工业大学精密工学研究所中野、横田等也推出了无可动件的短圆管式流量计。只需使液体流经l／d=4～10，d／D≤0．25规格的短圆管，在两端大径D相应部位测出压差值，借助由实验和解析导出的实用流量递推数学模型，与前述卷积积分算法不同，利用前一时刻的流量和压差值，依次递推即可算得某计算时刻的流量值。具有很高的频响范围，但采样周期高达12．8kHz，这是为了控制累积误差和提高演算精度所必需的。80年代中期，中国赵彤长时间进行高频脉动流量测定方法的研究工作，并提出一种流量实时测定方法，其核心是导出同一断面上中心流速、平均流速、压力梯度三变量之间的近似传递函数。借助该传递函数，不仅可以使从输入信号到流速或流量的数字变换运算高速化，而且可容易地通过相应简单的模拟电子回路实现实时模拟变换，直接得到以电量输出的动态流量信号。在脉动流量频率100Hz内，实验证实这种模拟变换方法非常有效。华中理工大学在80年代中后期，也先后进行过科里奥利(Conniolis)流量计、超声波流量计以及工业用瞬态流量计的研究工作。科里奥利流量计是利用流体在作旋转运动管道中流动时的科氏力，来精确测得质量流量。据报导美国、日本已成功地用于化工行业，测量精度可达4‰，但由于造价太高，故难于被广泛采用。超声波流量计具备无接触测量的独特优点，目具有良好的频率响应特性。但有待简单标定方法的探索，才适合于工业推广应用。工业用瞬态流量计是以适合于工业推广应用为主要目标而开发的一种新型瞬态流量计。其结构类似于前述无可动件短圆管式流量计，独到之处在于能够抵销粘性和惯性效应影响，因而可以使介质粘度、温度等变化因素的影响减至最小。流量和压差间的换算数学模型显得十分简单，只需简单的运算电路，就可完成数据处理，实时地显示流量读数。精度完全能满足工业应用需要．造价主要决定于压差传感器部分，故市场前景广阔。目前，已商品化能够在市场上买到的流量计，多数只适合于定常流动状态下测流量，若在非定常流态下使用，特别是测量高频脉动流量会产生较大误差。如工业上已使用的涡轮流量计的频宽小于10Hz，前西德的KRACHT公司开发销售的高压齿轮电机式流量计，据称频宽可达数十赫兹。综上所述，瞬态流量计的研究、开发必将继续深入下去，研究热点大体可归纳为3个方面：(1)高频脉动流量测定新方法和理论的进一步探索，包括精确标定基准和方法的确立，为今后开发新型实用流量计打下坚实基础，亦为测试方法的性能评价、比较、鉴定提供依据和条件。(2)具备实用价值测试方法的仪表化、商品化，鉴于本文开始就指出的难点，已提出的测试方法由于不同程度地存在各自弱点(包括本文尚未提到的)，故多数尚停留在实验室里。择其较成熟且有实用价值的方案，开发成有一定适用领域的流量计或动态流量传感器是必要的。(3)简单、价廉、测试精度有适当要求的工业用瞬态流量计的开发是当务之急，因为这是解决工业生产中实际需要和课题难度矛盾的有效办法。【参考文献】：1 Bowns D E，Tilley D G．4th i nternation fluid power symposium．19752 内山．日本计测自动制御学会论文集，1982，18(7)：6533 高桥．日本计测自动制御学会论文集，1982，18(6)：5894 中野．日本计测自动制御学会论文集，1984，20(5)：4215 中野．油压上空气压，1986，17(4)：676 付周东、路甬祥．液压与气动．1986，2：27 横田．日本机械学会论文集B．1987，53(489)：15488 赵彤．日本机械学会论文集B，1985，(472)：41329 Zhao T．JSME International Journal 1987，30(26)：263(华中理工大学钱祥生教授撰) |
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