摘要：描述(shu)插入式渦(wō)街流量計(jì) 的工作原(yuán)理，根據流(liu)體力學中(zhōng)著名的“卡(ka)門渦街”原(yuán)理進行流(liú)📐量測量，同(tong)時根據被(bei)測介質流(liú)速分布情(qing)況，簡述渦(wo)旋發生體(tǐ)（非線性三(sān)角柱形體(tǐ)）以及探頭(tou)的結構形(xing)式；經♍試驗(yàn)論證了插(chā)入式渦街(jie)流量計在(zài)被測管道(dào)内正确的(de)插入深度(du)☎️（主要是渦(wo)旋發生體(ti)🚩和并聯方(fāng)式的四片(pian)壓電晶體(ti)與被測管(guǎn)道的相對(dui)✔️位置），從而(er)确🛀🏻定😘安裝(zhuāng)現場的通(tōng)用原則和(hé)規範，彌補(bu)了法蘭式(shì)渦街流🌍量(liang)計的🔴體積(jī)大、整體重(zhong)量過大、安(ān)裝不便等(děng)不足現象(xiang)，具有很高(gāo)的性價比(bǐ)。
0引言
渦街(jiē)流量計 均(jun1)以管道法(fa)蘭式結構(gou)形式在用(yòng)戶中廣泛(fan)使用，但其(qí)相對🌈價格(ge)較高，且隻(zhī)有在現場(chǎng)管線停産(chǎn)檢修時♻️才(cai)能進行安(ān)裝⭕、維護。針(zhēn)對此種情(qíng)況，研制了(le)插入式⁉️渦(wō)街量計，因(yīn)其特殊的(de)結構形式(shì)，可實現現(xian)場管道☀️在(zai)不停産的(de)狀态下進(jìn)行安裝或(huo)更換插入(ru)式渦街☁️流(liú)量計，該産(chǎn)品造價低(dī)、抗振性強(qiáng)、無零點漂(piāo)移、可靠😄性(xìng)高。通過長(zhang)時🔱間對插(chā)入式渦街(jie)流量計進(jìn)行🏃🏻‍♂️大量波(bo)形分析和(hé)頻譜分析(xi)，設計出的(de)探頭形狀(zhuang)、壁厚、高🙇‍♀️度(du)、探頭杆直(zhi)徑、發生🙇‍♀️體(tǐ)的幾何尺(chǐ)寸，和與之(zhi)相配套🔴采(cǎi)用并聯方(fāng)式的四片(pian)壓電晶體(tǐ)及插入式(shi)渦街流✍️量(liang)計插入管(guan)道的深度(du)，普遍适用(yòng)于大口徑(jing)工業管道(dao)安裝特點(dian)。采用先進(jin)的加工中(zhōng)心進行生(sheng)産加工各(gè)個零部件(jiàn)，确保各個(gè)零㊙️部件的(de)同軸度和(he)表面粗糙(cao)度等加🏃工(gōng)精度，再配(pei)合熱處理(lǐ)工藝，從而(er)克服渦街(jiē)流量計存(cun)在的固有(you)自振蕩頻(pín)率🤩對信号(hào)的影響💯，其(qí)精度等級(jí)能夠達到(dào)±2.5%FS以上，主要(yào)通過優化(huà)設計和試(shi)驗，确定其(qí)插入深度(du)的正确選(xuǎn)擇。
1測量原(yuan)理
插入式(shì)渦街流量(liàng)計實現流(liu)量測量的(de)理論基礎(chu)是流體力(lì)學中著名(míng)的“卡門渦(wo)街”原理，在(zai)流動的流(liu)體中裝置(zhi)一個非🥰線(xiàn)性三角柱(zhù)形體，即渦(wo)旋發生體(ti)，如圖1所示(shi)[1]。當流體🔴沿(yan)渦旋發生(sheng)體繞流時(shí)😘，會在渦旋(xuán)發生體下(xià)遊産生兩(liǎng)列不對稱(cheng)，但🌈有規律(lǜ)交替地分(fen)離釋放出(chū)一系列漩(xuan)渦束，隻有(yǒu)當兩渦漩(xuan)列之間的(de)距❌離h和同(tong)列的兩🔴渦(wo)漩之間的(de)距離L之比(bǐ)滿足h/L=0.281時🈲，所(suǒ)産生的渦(wo)街♊才是穩(wen)定的[2]。
按國(guo)際标準化(huà)組織IS07145（在環(huan)形截面封(fēng)閉管道中(zhong)的流💃體流(liu)量測定——在(zài)截面一點(dian)的速度測(cè)量法），采用(yong)埋入壓電(dian)晶體💜的渦(wō)街測速探(tàn)頭，插入大(dà)口徑工業(yè)管道内，将(jiāng)卡😘門旋渦(wō)頻率轉換(huàn)爲與流量(liang)成正比的(de)标準🐆信号(hao)：（4～20）mADC。
2插入式渦(wo)街流量計(ji)優化設計(jì)
根據流體(ti)力學的相(xiàng)關知識，從(cong)以下幾個(ge)方面進行(hang)探讨與研(yán)究：
2.1流體介(jiè)質的密度(du)
流體質量(liang)不随外界(jiè)條件變化(huà)而變化，但(dan)流體體積(ji)與溫度和(hé)壓👅力密切(qiē)相關。也就(jiù)是，流體密(mi)度是溫度(dù)和壓力的(de)函數。
2.2流體(ti)介質的粘(zhān)度
先觀察(cha)河中水流(liú)動的現象(xiàng)，可以看到(dào)河中央的(de)水流速🏃‍♀️最(zuì)㊙️快🧑🏽‍🤝‍🧑🏻，越靠近(jin)岸邊的水(shuǐ)流得越慢(màn)。同樣，當流(liú)體在管道(dào)中流動🈚時(shí)，管🏃‍♂️道中心(xin)的流速最(zui)快，越靠近(jin)管壁處的(de)流速越💯慢(man)，這是流體(ti)流動時，由(you)于流體介(jiè)質的粘度(dù)和在管道(dào)内部産生(shēng)摩擦的緣(yuán)故。

由于流(liu)體介質的(de)密度和粘(zhān)度的關系(xì)，一切流體(ti)介質在流(liu)💃動時内部(bu)各個層面(mian)的速度是(shì)不同的。在(zài)相鄰層的(de)接觸面✍️上(shàng)存🚶‍♀️在着一(yi)對等值反(fǎn)向的力，速(sù)度較快的(de)流層帶動(dòng)流層🈲速度(dù)較慢的流(liú)層，使之加(jia)快🔴速度；速(su)度較慢的(de)流層阻滞(zhì)速度較快(kuai)的流層使(shi)之減速，這(zhè)種阻滞力(li)稱之爲内(nèi)摩擦力，流(liu)體之間的(de)相🈲互作用(yong)稱爲流體(ti)内摩擦（即(ji)：牛頓内摩(mo)擦定律✌️），而(er)粘度是内(nèi)摩👄擦的量(liang)度，是流體(tǐ)反抗變形(xing)的能力。
2.3雷(léi)諾數和流(liu)态[
根據測(cè)量管道内(nèi)流體的流(liú)動狀态和(hé)流速的分(fen)布情況，雷(lei)❌諾數是表(biǎo)征流體流(liu)動特性的(de)一個重要(yào)參數。雷諾(nuò)數🚶表征♉了(le)流體流動(dòng)時慣性力(li)和粘性力(lì)的無綱量(liang)參數，其比(bǐ)值如下式(shi)給出[1]
Re=VD/γ（管道(dào)爲圓管時(shi)）
式中：V—流動(dòng)橫截面的(de)平均流速(su)，單位：米/秒(miao)（m/s）。
D—流動的特(tè)性長度爲(wèi)管道直徑(jìng)，單位：米（m）。
γ—流(liú)體的運動(dong)粘度，單位(wèi)：平方米/秒(miǎo)（m2/s）。
對于流動(dòng)介質的斷(duàn)面爲圓管(guǎn)時，有一個(gè)共同的臨(lín)界雷諾數(shu)Rec，一般情況(kuang)下，Rec=2300。
當Re＜Rec時，管(guǎn)道内流體(tǐ)爲層流（層(céng)流是流體(ti)流動時，如(ru)果流體質(zhi)點🔴的軌迹(jì)随初始空(kōng)間坐标x、y、z和(he)時間t而變(biàn)，則是有規(gui)則的光滑(hua)曲線，最簡(jian)單的情形(xing)是直線），如(rú)圖2（a）所示。

根(gēn)據以上各(gè)種參數的(de)分析，最終(zhong)設計出探(tan)頭部件💃，如(ru)圖3所示。

3實(shi)踐當中遇(yu)到的實際(jì)難題
根據(jù)中華人民(min)共和國機(ji)械行業标(biao)準：JB/T9249-2015《渦街流(liú)量計》進行(hang)插入♊式渦(wō)街流量計(jì)的研制與(yu)設計。在試(shi)驗過程中(zhōng)✔️，因爲理論(lùn)💛研究不充(chong)分，再加上(shang)經驗不足(zú)，采用插入(rù)深度是按(an)照以往其(qi)它産品（插(chā)入式電磁(cí)流量計）的(de)經驗，以插(cha)入深度爲(wèi)現場管道(dao)内徑的12.5%進(jìn)行試驗，其(qi)對介質❗流(liú)量的檢測(cè)值與同種(zhǒng)規格管道(dao)法蘭式結(jié)構的渦街(jie)流量計進(jin)行比較，偏(pian)差值較大(dà)、儀表準确(que)度無法滿(man)足⭕設計要(yao)求。試驗安(ān)裝位置和(hé)安裝方法(fǎ)如圖4所示(shi)。

插入式渦(wō)街流量計(ji)插入深度(dù)爲現場管(guan)道内徑的(de)12.5%時，試驗數(shu)據如下（以(yi)DN200爲例）：

插入(rù)式渦街流(liú)量計标校(xiào)原始記錄(lù)，流量範圍(wéi)：（90～400）m3/h；标定‼️介🚶‍♀️質(zhi)：水；标定溫(wen)度：20℃；标定壓(ya)力：1.0Mpa。
标定結(jie)論[3]：最大儀(yí)表系數：2.45N/L；最(zui)小儀表系(xì)數：1.743N/L；最終儀(yí)表系數：2.0965N/L；線(xiàn)性誤差：16.86%；重(zhòng)複性誤差(chà)：0.20%。
對以上的(de)試驗結果(guo)與相同規(guī)格、型号、量(liang)程的法蘭(lan)式渦街流(liu)量🧑🏾‍🤝‍🧑🏼計相對(dui)比，其精度(dù)無法相比(bǐ)。結論：插入(rù)深度有問(wèn)🐅題，或插入(rù)式渦🈲街流(liú)量計的采(cǎi)集信号的(de)探頭結構(gou)有問題。
經(jing)過分析、研(yan)究，插入式(shi)渦街流量(liàng)計的采集(ji)信号的探(tan)💛頭🥰結🏒構确(que)定沒有問(wen)題。
對插入(ru)式渦街流(liu)量計和插(chā)入式電磁(cí)流量計的(de)結❌構原理(li)進行分析(xī)，插入式電(dian)磁流量計(jì)的信号采(cǎi)集點在标(biao)校管道内(nei)12.5%爲宜，因它(ta)屬電磁類(lei)流量計，而(ér)渦街流量(liang)計是根據(ju)“卡門渦街(jie)”原理進行(háng)😘測量管道(dao)内😍流量，根(gēn)據标校管(guan)道内層流(liu)和湍流的(de)分析，以及(jí)插入式渦(wō)街流量計(ji)獨特的探(tàn)頭結構形(xing)式，确定插(cha)入🔴式渦街(jiē)流量計的(de)插入深度(dù)爲标校管(guan)道内50%，試驗(yàn)安裝位置(zhi)和安裝方(fāng)♍法如圖5所(suǒ)示。

插入式(shi)渦街流量(liang)計插入深(shēn)度爲現場(chǎng)管道内徑(jing)的📞50%時，試驗(yan)數據🔅如下(xià)（以DN200爲例）：
插(chā)入式渦街(jiē)流量計标(biāo)校原始記(jì)錄，流量範(fan)圍：（90～400）m3/h；标定介(jiè)質：水；标定(ding)溫度：20℃；标定(ding)壓力：1.0MPa。
檢定(dìng)結論[3]：最大(da)儀表系數(shu)：0.144N/L；最小儀表(biǎo)系數：0.143N/L；最終(zhōng)儀表系數(shù)：0.143N/L；線性誤👄差(chà)：0.23%；重複性誤(wù)差：0.20%；儀表精(jing)度：0.31%。

4結論
一(yi)種插入式(shi)渦街流量(liàng)計在實際(jì)應用過程(cheng)中，經過該(gai)🏃‍♂️儀表🔴特殊(shu)✊結構分析(xi)和根據流(liu)體力學的(de)特性，對探(tan)頭進行優(yōu)化設計，以(yǐ)及插入深(shēn)度的确定(ding)，确保提高(gāo)其在⁉️現場(chǎng)運🌈行過程(chéng)中的穩定(dìng)性、精度等(deng)級和抗幹(gàn)擾能力，充(chōng)分發揮插(chā)入式渦街(jiē)流量計自(zi)有優勢㊙️，對(dui)該産品質(zhi)量的提升(shēng)以及可操(cao)作性👄都具(ju)有實質☂️性(xìng)推動作用(yong)，同時配合(he)輔助工🛀🏻具(ju)還可實現(xiàn)現🌈場不停(tíng)産安裝或(huo)更換，彌補(bu)了法蘭式(shi)渦街流量(liàng)計體積大(da)、整體重量(liàng)過大、安裝(zhuāng)不便等現(xiàn)象，爲用戶(hù)提供了方(fang)便，特别适(shi)用于大管(guǎn)⚽道介質🈲的(de)測量，其性(xìng)價💰比高、适(shi)用廣泛。

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