射流流量計(jì)的出現(xiàn)源于射流技術(shù)的發(fā)展。射流技術(shù)在年代和年代曾經(jīng)發(fā)展相當(dāng)迅速。當(dāng)初的研究者們成功地用流體實(shí)現(xiàn)了當(dāng)今數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的“與”及“或”等邏輯功能,并曾經(jīng)試圖用射流元件構(gòu)造數(shù)字邏輯電路甚至數(shù)字計(jì)算機(jī)。雖然射流元件在理論上很簡單,然而研究者們很快發(fā)現(xiàn)這種元件的流體力學(xué)原理比原來料想的要復(fù)雜得多,加上集成電路技術(shù)的出現(xiàn)和迅速發(fā)展,射流技術(shù)的研究熱潮逐漸冷卻。在這場大規(guī)模的技術(shù)研究中也有一些技術(shù)得到了實(shí)用,射流流量計(jì)就是其中一項(xiàng)實(shí)用的技術(shù)。
  射流流量計(jì)和渦街流量計(jì)、旋進(jìn)旋渦流量計(jì)同屬于流體振蕩流量計(jì),它們的發(fā)展基本上是同步的,都是年代末期發(fā)展起來的。
  射流流量計(jì)是一種利用附壁效應(yīng)也稱科恩達(dá)效應(yīng)、,形成的雙穩(wěn)元件,并附加反饋通道而發(fā)生振蕩,其振蕩頻率和被測流體的流量成比例,所以只要測得振蕩頻率就可以獲得流量值。
  利用射流原理測量流量的方案種類很多,但大部分并不實(shí)用。如利用射流張弛振蕩原理測量流量,利用射流剪切原理測量流量在實(shí)驗(yàn)室通過了原理試驗(yàn),但***終并沒有商品化,只有利用附壁效應(yīng)的方案得到了實(shí)用化,其中美國公司研制的利用附壁效應(yīng)的射流流量計(jì)自從年代初投放市場以來至今仍在大量銷售,在國內(nèi)也曾有過代銷點(diǎn)。在射流流量計(jì)的基本結(jié)構(gòu)形式被確定以后,年代和年代的研究集中在擴(kuò)大量程范圍,減小體積等。
  目前,市場上的射流流量計(jì)產(chǎn)品種類較少。在國外,真正投入生產(chǎn)應(yīng)用的主要是美國公司研制的型射流流量計(jì)和型射流流量計(jì),用于測量小流量高粘度的流體,這屬于射流流量計(jì)產(chǎn)品中比較成功的一種。近年來,在美英等發(fā)達(dá),射流流量計(jì)正逐步被用作家用煤氣表和家用水表,且應(yīng)用范圍和影響不斷擴(kuò)大?？梢灶A(yù)見,射流流量計(jì)在民用業(yè)上有著很好的應(yīng)用前景。
  國內(nèi)對射流流量計(jì)的研究尚屬罕見,而渦街流量計(jì)已經(jīng)嚴(yán)重供過于求。開展對新型射流流量計(jì)的研究將會形成國內(nèi)流量測量領(lǐng)域的新突破。

1、射流流量計(jì)的原理：
  射流流量計(jì)在殼體內(nèi)設(shè)置兩塊側(cè)壁面,當(dāng)流體由噴嘴形成一條射流時,并從左面進(jìn)入作用腔,由于附壁效應(yīng)附壁效應(yīng)源于自由射流和側(cè)壁之間低壓區(qū)的形成。當(dāng)自由射流經(jīng)過側(cè)壁的時候,附近區(qū)域的部分流體介質(zhì)被射流帶走,從而使這個區(qū)域的壓力降低。在不穩(wěn)定平衡狀態(tài)下,外界稍微的擾動將會在兩側(cè)產(chǎn)生壓差,壓差使得射流開始向一個側(cè)壁面偏轉(zhuǎn)。當(dāng)越來越多的介質(zhì)流體被射流`帶走,射流也會越來越向此側(cè)壁面偏轉(zhuǎn),直到粘附在側(cè)壁面,流束可隨意地依附兩個漸擴(kuò)的側(cè)壁面中的任何一個,來自側(cè)壁面的一小股流束被轉(zhuǎn)向到反饋腔、從而使反饋通道中的介質(zhì)擴(kuò)散,從控制噴口返回作用腔中的主射流。當(dāng)控制噴嘴的流量由零增至***大值時,是一個完整的循環(huán)工作過程,而且影響著主射流,使其偏向另一個側(cè)壁面,開始了另一個反饋循環(huán)。如此循環(huán)往復(fù),主射流中就會有一小部分分流在上下兩個反饋腔中來回振蕩。如下圖所示1.9：

圖1.9射流流量計(jì)剖視示意圖
  根據(jù)方程有一吹·,一式中,稱為數(shù),又稱為斯特勞哈準(zhǔn)則'刀。該準(zhǔn)則是在研究非定常流動時要用到的諧時性準(zhǔn)則,該準(zhǔn)則反映了流動的非定常性影響,它表示流動參數(shù)的局部變化率與遷移變化率的比值。是一個與流體振動振幅有關(guān)的尺寸系數(shù),則是射流噴嘴出口流體的流速,是流體振蕩頻率。在較寬的流體流速和密度范圍內(nèi),數(shù)基本恒定,所以射流流量傳感器中振蕩頻率與其體積流量呈線性關(guān)系。所以只要測出振動頻率就可以獲得流量值。正如***初的渦街流量計(jì)是用溫度傳感器熱敏電阻或鉑電阻作為檢測元件一樣,這種射流流量計(jì)***初也使用溫度傳感器,但后來改用壓力傳感器以獲取更大的通用性。傳感器只需安裝在一個反饋回路中,并和反饋腔的內(nèi)壁面齊平,在這種結(jié)構(gòu)中,對于每一次振動循環(huán),反饋流間斷地通過傳感器末端。傳感器輸出信號的變化頻率與流體的振蕩頻率相同,并與流量大小成正比。

2、射流流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)：
  射流流量計(jì)和渦街流量計(jì)、旋進(jìn)旋渦流量計(jì)同屬于流體振蕩流量計(jì)。它具有流體振蕩型流量計(jì)的共同特點(diǎn),如前文所述。
  射流流量計(jì)與渦街流量計(jì)相比一個突出的優(yōu)點(diǎn)是它能在遠(yuǎn)低于后者要求的雷諾數(shù)下穩(wěn)定起振。盡管同樣是采用了流體振蕩技術(shù)的渦街流量計(jì)滿足了工業(yè)應(yīng)用中的大部分性能要求,但其仍然存在一定的局限性。當(dāng)工業(yè)管道直徑較小、流體流速約米秒時,流體的雷諾數(shù)降至左右,此時,一般的渦街流量計(jì)便可能無法運(yùn)行。對于射流流量計(jì),采取適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)可以使其運(yùn)行下限所對應(yīng)的流體雷諾數(shù)降至甚至以下,。它除具有渦街流量計(jì)的性能優(yōu)點(diǎn)外,而且更加牢固、可靠,測量范圍更寬。同時,射流流量計(jì)以射流技術(shù)為基礎(chǔ),因而還繼承了射流技術(shù)的眾多優(yōu)點(diǎn)。但是射流流量計(jì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)較渦街流量計(jì)復(fù)雜得多,因而射流流量計(jì)的壓力損失也比渦街流量計(jì)要大很多。
    經(jīng)歸納，射流流量計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn):
   1)得到與流量成正比的頻率信號，輸出信號容易放大;  
 2)采取適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)時，在雷諾數(shù)低至100以下，仍可運(yùn)行，測量下限極低，特別適于高粘度、小口徑、低流速的小流量測量;  
 3)量程比較大(可達(dá)50:1)，測量范圍寬，若需要改變流量計(jì)的測量范圍，只要改變接受振動信號儀表的頻率范圍即可;
   4)被測流體本身就是振動體，無機(jī)械可動部件，故不受振動和加速度的影響，有較強(qiáng)的抗干擾能力，穩(wěn)定性高，可測微小流量;
   5)幾乎不受流體組成、密度、粘度、壓力等因素的影響，可在高溫、輻射等惡劣環(huán)境下工作;  
 6)與節(jié)流流量計(jì)相比它的壓力損失小;
   7)對較低的氣體流速也敏感;  
 8)反饋信號易于測量和轉(zhuǎn)換，傳感器置于反饋通道內(nèi)，與主射流相隔離，即可減少磨損，又能提高使用壽命;
   9)直接數(shù)字輸出，穩(wěn)定可靠、響應(yīng)速度快，集成化，易于安裝，結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便，費(fèi)用省;  
 10)成本低，便于制成本質(zhì)安全防爆型。

3、射流流量計(jì)的局限性：
   盡管射流流量計(jì)有以上很多優(yōu)點(diǎn)，但也存在著一些局限性，這些局限性阻止了射流流量計(jì)在工業(yè)計(jì)量中的廣泛應(yīng)用。
    1）射流流量計(jì)在中高速區(qū)段振動頻率和流速之間呈現(xiàn)良好的比例關(guān)系，但在低速區(qū)段頻率和速度之間有一定的非線性。這是因?yàn)?，只有?dāng)斯特勞哈數(shù)為常數(shù)時，流體的振動頻率才與流速成正比，而斯特勞哈數(shù)與雷諾數(shù)有關(guān)，只有當(dāng)雷諾數(shù)在一定范圍內(nèi)時，斯特勞哈數(shù)才為常數(shù);雷諾數(shù)較小時，斯特勞哈數(shù)發(fā)生變化。
   2)射流流量計(jì)內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)通常較復(fù)雜，流體與殼體內(nèi)壁的碰撞、流體之間的碰撞、流動通道內(nèi)側(cè)分離區(qū)產(chǎn)生的旋渦等均會損耗一部分的能量:流體振動本身更會引起能量損失的主要原因，因而流量較大時會使系統(tǒng)產(chǎn)生很大壓差，高壓損失大。
   3)結(jié)構(gòu)上較渦街流量計(jì)等復(fù)雜，且由于流動的非定常性和附壁的隨意性，很難建立的數(shù)學(xué)模型，亦無定性甚或定量的分析研究準(zhǔn)確顯示出結(jié)構(gòu)形式和尺寸參數(shù)與射流流量計(jì)性能之間的關(guān)系，往往只能依靠一些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和主觀推測進(jìn)行設(shè)計(jì)，給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能預(yù)測以及性能優(yōu)化帶來一定的困難。
   4)雖然射流流量計(jì)理論上可以測量很低流速下的流量，但是現(xiàn)有的射流流量計(jì)往往遠(yuǎn)達(dá)不到其理論計(jì)量下限，無法充分發(fā)揮在測量小流量方面的根本優(yōu)勢。當(dāng)雷諾數(shù)較小時，粘性力逐漸占據(jù)了統(tǒng)治地位，使振蕩減弱:另外引起了渦流擴(kuò)散增加，隨著渦流的減弱，由其引起的速度場也減弱，同樣使得振蕩減弱;再加上由于管道振動和上游管道流量脈動干擾的存在，這種情況下，流體很難產(chǎn)生穩(wěn)定的射流附壁和交替振蕩，極大的限制了流量計(jì)的量程范圍。
   5)實(shí)際的信號頻率成份復(fù)雜，須設(shè)計(jì)電路對信號進(jìn)行濾波和放大等處理，從而給振蕩頻率的探測帶來不便。
   6)現(xiàn)有的射流流量計(jì)信噪比較低，外界環(huán)境對流量計(jì)內(nèi)部流體的干擾不能抑制，在二次儀表中很難將其去掉，明顯影響了測量的準(zhǔn)確性。

4、射流流量計(jì)的應(yīng)用及性能：
    1)直接應(yīng)用：
   射流流量計(jì)用途廣泛。由于結(jié)構(gòu)簡單、牢固，對運(yùn)行環(huán)境及流體組成等要求低，可在極低雷諾數(shù)下工作等特點(diǎn)，射流流量計(jì)適合直接安裝在新建的或己有的管道中，可用于測量導(dǎo)電的和不導(dǎo)電的流體;可檢測高粘度和小流量的粘稠液體;可使用于燃燒應(yīng)用中測量冷、熱流體混合物以及易產(chǎn)生傳感器結(jié)垢的應(yīng)用等等。除此以外，射流流量計(jì)還有十分廣泛的應(yīng)用空間。在國外有用于家用煤氣表，解決在斷電時如何保證煤氣的計(jì)量和使用的問題;射流流量計(jì)也可用于水表等。在所測流量值不大，又需輸出電信號的地方都可直接用它。如醫(yī)用時麻醉氣體流量、輸氧量、人工肺的流量測量。在消費(fèi)類產(chǎn)品中也有用處，如在自動控制溫度和水流量的熱水器中。目前，所設(shè)計(jì)的射流流量計(jì)多用于環(huán)境監(jiān)測中[}ZS}0    圖1.9所示為慕爾141型射流流量計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖，這是一種典型的平面二維結(jié)構(gòu)的射流流量計(jì)，其內(nèi)部流動為平面流動(或二維流動)，流場中各點(diǎn)的流體速度都平行于某一固定平面，即流體振動所在平面，且流體振動平面和管道軸線位于同一平面內(nèi)。這種射流流量計(jì)壓力損失較小，但是測量下限不夠低，無法在較低的雷諾數(shù)下運(yùn)行，因而在需要測量高粘度、小流量流體的場合是不適用的。對于DN25型號的慕爾141型射流流量計(jì)，當(dāng)被測流體為水時，其測量下限約為0.4m/s，測量上限約為7m/s。

圖1.10一種典型的平面結(jié)構(gòu)的射流流量計(jì)
    圖1.10所示為另一種典型的平面結(jié)構(gòu)的射流流量計(jì)，這種流量計(jì)的壓力損失比前一種射流流量計(jì)要大，但是測量下限較低，據(jù)相關(guān)資料稱，可在雷諾數(shù)低至120的情況下正常運(yùn)行。

圖1.11慕爾140型射流流量計(jì)
    圖1.11所示為慕爾140型射流流量計(jì)的剖視示意圖和俯視示意圖，這是一種空間結(jié)構(gòu)的射流流量計(jì)，流體在其內(nèi)部做三維流動，流體振動平面和管道軸線位于不同平面內(nèi)。這種射流流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是測量下限非常低，它不需要流體保持紊流來維持振動，據(jù)稱可在雷諾數(shù)低于75的情況下正常運(yùn)行，特別適用于高粘度和小流量的測量。然而這種流量計(jì)的缺點(diǎn)是內(nèi)部結(jié)構(gòu)較前兩種平面結(jié)構(gòu)的射流流量計(jì)復(fù)雜，除具有和平面結(jié)構(gòu)射流流量計(jì)同樣的能量損失外，流體在上升和下降流動中由于與殼體內(nèi)壁碰撞、與通道內(nèi)側(cè)分離產(chǎn)生漩渦等原因均會損失一部分的能量，因而壓力損失很大，在需要測量較大流量時，一般不采用空間結(jié)構(gòu)的射流流量計(jì)。對于DN25型號的慕爾140型射流流量計(jì)，其計(jì)量下限為雷諾數(shù)Re=120，流速下限與被測流體的運(yùn)動粘度成正比。若被測流體是水，測量流速下限約為O.OOSm/s，若被測流體是粘度較高的流體，那么測量流速下限相應(yīng)升高。測量流速上限與被測流體的運(yùn)動粘度無關(guān)，約為2m/s。當(dāng)管道雷諾數(shù)大于500時，精度可達(dá)士2%;重復(fù)性誤差為0.25%;當(dāng)被測流體流速為1.Sm/s時，壓力損失約0.7bar。
    在測量大管徑工業(yè)管道的流量或風(fēng)洞的流速時，還可以采用射流流量計(jì)的分流應(yīng)用和插入式應(yīng)用f3ysl。
  2)分流應(yīng)用

圖1.12分流式射流流量計(jì)

    一般情況下，射流流量計(jì)多用于較小流量的測量，而不宜直接用它測量大一些的工業(yè)流量，因?yàn)橛捎谏淞髁髁坑?jì)阻力較大，在規(guī)定壓力損失條件下，要控制大流量，必須增大射流流量計(jì)的尺寸，因而測量同樣流量時，它的體積要比其他流量計(jì)大[39,40]。于是人們提出了將要測流體分流到射流流量傳感器測量的設(shè)想。英國煤氣公司的文丘利分流管式射流流量計(jì)就是一例[41,42]。在流體主管道中安裝文丘利管進(jìn)行節(jié)流，在文丘利管噴嘴處采用了旁路模式的射流振蕩器，在分離面處安裝可折疊Ig}。的射流振蕩器，從而便于與文丘利管噴嘴處的導(dǎo)出流體噴口相吻合。文丘利管由頸部與尾管兩部分組成。頸部固定于管道的兩法蘭盤之間，為墊片式結(jié)構(gòu)。文丘利尾管部分與頸部相連并在管內(nèi)沿下游方向逐漸擴(kuò)展。結(jié)構(gòu)如圖1.12所示。
    文丘利管在這里起節(jié)流和分流作用。由于文丘利管兩端的壓力差dP與流量Q有固定關(guān)系(QdP )，只要測量分流流量的流量計(jì)也具有這種特性，即分流流量Q'dP,，由于d P=dP'，則分流流量C與Q成正比關(guān)系，通過測量分流即可測得流量值。而折疊射流振流器(即小型射流流量計(jì))的特性正是滿足了Q'+dP,m的關(guān).系[43]。折疊流體振蕩器其核心就是一個小型射流流量計(jì)，它具有與前面所述射流流量計(jì)相似的結(jié)構(gòu)。由于此結(jié)構(gòu)采用了旁路模式的流體振蕩器，故又稱為旁通式射流振蕩器。
    選用文丘利管的原因是，文丘利管起著取壓、增壓和減小壓力損失的作用，擴(kuò)大了測量范圍。文丘利噴嘴對獲得較寬的流量測量范圍起到非常重要的作用，它的主要作用是擴(kuò)大壓力增益系數(shù)(壓力增益系數(shù)=振蕩器前后壓差/總壓力損失)。
   文丘利管在大旁通流量下產(chǎn)生高壓力增益系數(shù)的能力是關(guān)鍵的。譬如，一種分流式文丘利管式射流流量計(jì)，旁通流量為管道流量的1%，壓力增益系數(shù)為4，根據(jù)理論的流量計(jì)算，相同壓力損失下，使用旁通式射流振蕩器的管道流量是直接安裝于主管道的射流流量計(jì)的200倍[46]。因而，這種旁通式射流振蕩器克服了在控制大流量時須對傳統(tǒng)射流振蕩器進(jìn)行尺寸放大的問題，較小尺寸的射流振蕩器即可控制較大的流量[[36]。
    當(dāng)流量很小時射流流量計(jì)的阻力不再與流過它的流量的平方成正比，確切地說此時它的阻力系數(shù)隨流量的減小而增大，于是文丘利管中的流量Q和射流流量計(jì)中的流量Q,的比例發(fā)生變化，即Q,與Q之比值變小，此時可通過修正儀表系數(shù)改善小流量時的線性度[47]。
   若把整個裝置看成文丘利管流量計(jì)，則射流振蕩器可視為起著替代差壓傳感器的作用，既降低了價(jià)格，又消除了傳統(tǒng)傳感器的溫漂和零漂問題和渦街流量計(jì)相比，分流式射流流量計(jì)可測量更低雷諾數(shù)下的流量，據(jù)相關(guān)資料顯示，它可在Re低至2 000的條件下穩(wěn)定工作，而一般渦街流量計(jì)則要求Re大于S 00010 000。兩者測量上限差不多，所以分流式射流流量計(jì)的測量范圍或量程比更大[36]。其空氣流速測量范圍為0.6-30IT1IS(精度士2%以內(nèi))，而一般渦街流量計(jì)可測空氣流速下限為3m/s，國內(nèi)渦街流量計(jì)下限不低于9m/s[}o}。另外，它對上下游管路的要求也低一些[48,49,50]。
3)插入應(yīng)用

圖1.13插入式射流流速計(jì)
    在管道截面較大時，例如在需要多點(diǎn)同時測定的通風(fēng)系統(tǒng)中，常常會用到插入式的射流流量計(jì)。在插入應(yīng)用時射流傳感器實(shí)際就是流速計(jì)。此時在管道中的射流傳感器形成一個繞流體，流體在繞流體上的繞流阻力和射流傳感器中的流動阻力會自動平衡[[51,52]。由于在繞流阻力和管道中的流速之間、射流傳感器阻力與流量之間都是平方關(guān)系，所以管道的流速與射流傳感器的流量間呈線性關(guān)系。插入式射流流速計(jì)性能具有穩(wěn)定可靠、使用方使、成本低廉的特點(diǎn)[53J。其結(jié)構(gòu)如圖1.13所示。
    其中，插桿插在管道內(nèi)壁，噴嘴方向與管道內(nèi)流體的流動方向相對。這種射流流量計(jì)多用于射流傳感器的迎流面與管道的橫截面相比小得多的情況。插入式射流流量計(jì)特別適用于需多點(diǎn)同時測量的系統(tǒng)中，如廠礦的通風(fēng)系統(tǒng)的調(diào)試和日常監(jiān)測、環(huán)境檢測等場合。也可作工業(yè)應(yīng)用，如大管道煤氣流量測量中，可在測量斷面上同時布置多個傳感器，有利于提高測量精度fuel。也可用單個傳感器制成便攜式風(fēng)速計(jì)。    據(jù)有關(guān)實(shí)驗(yàn)，若管道直徑為100~300mm，迎流面為14mmx30mm，對于常溫常壓下的氣體，用熱敏法測量，測量流速范圍約為1.5~30m/s，流速在Sm/s以下時，精度約為0.1 m/s，流速在Sm/s以上時，精度達(dá)1.5%;靈敏度為0.1 m/s;重復(fù)性誤差為0.2%。對于液體，用壓敏法測量，測量流速范圍約為1.U–30m/s，流速在Sm/s以下時，精度約為0.1 m/s，流速在Sm/s以上時，精度達(dá)1.5%;靈敏度為0.1 m/s;重復(fù)性誤差為0.2%。實(shí)驗(yàn)證明，流速在3m/s以上時線性度較好，在3mls以下時線性度變差[41]0    插入式射流流量計(jì)的測量下限不如插入式渦街流量計(jì)，更不如熱線風(fēng)速儀。試驗(yàn)表明，當(dāng)被測流場均勻程度不太好時，例如在靠近管壁處，仍可得到穩(wěn)定的頻率輸出，從這個角度看它比插入式渦街流量計(jì)的抗干擾性要好[55,56,57]。