摘要：描述(shu)插入式渦(wo)街流量計(ji) 的工作原(yuan)理，根據流(liu)體力學中(zhong)著名的“卡(ka)門渦街”原(yuan)理進行🌍流(liu)量❄️測量，同(tong)時根據被(bei)測介質流(liu)速分布情(qing)況，簡⚽述渦(wo)旋發生體(ti)（非線性三(san)角柱形體(ti)）以及探頭(tou)的結構形(xing)式；經試驗(yan)論證了插(cha)🚩入式渦街(jie)流量計在(zai)被測管道(dao)内正确的(de)插入深度(du)（主要是渦(wo)旋發生體(ti)和并聯方(fang)式㊙️的四片(pian)壓電晶體(ti)與被測♻️管(guan)道的相對(dui)位置），從而(er)确定安裝(zhuang)現場的通(tong)用原則和(he)規範，彌補(bu)🌈了法蘭式(shi)渦街流量(liang)計的🔴體積(ji)大、整體重(zhong)量過大、安(an)裝不便等(deng)不足現象(xiang)，具有很高(gao)的性價比(bi)。
0引言
渦街(jie)流量計 均(jun)以管道法(fa)蘭式結構(gou)形式在用(yong)戶中廣泛(fan)使用，但💰其(qi)相對價格(ge)較高，且隻(zhi)有在現場(chang)管線停産(chan)檢修時才(cai)能進行安(an)裝、維護。針(zhen)對此種情(qing)況，研制了(le)插入式渦(wo)街量計，因(yin)其特殊的(de)結構形式(shi)，可實現現(xian)場管道🏃‍♀️在(zai)不停産的(de)狀态下進(jin)行安裝或(huo)更換插入(ru)式渦街流(liu)量計，該産(chan)品造價低(di)、抗振性強(qiang)、無零點漂(piao)移、可靠性(xing)高。通過長(zhang)時間對插(cha)入式渦街(jie)流量計進(jin)行大量波(bo)形分析和(he)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(ti)的幾何尺(chi)寸，和與之(zhi)相配套采(cai)用并聯🔅方(fang)式的四片(pian)壓電晶體(ti)及插入式(shi)渦街流量(liang)計插入管(guan)道的深度(du)，普遍适用(yong)于大口徑(jing)工業管道(dao)安裝特點(dian)🚩。采用先進(jin)的加工中(zhong)心進行生(sheng)産加工⛱️各(ge)個零部件(jian)，确保各個(ge)零部件的(de)同軸度和(he)表面粗🚶‍♀️糙(cao)度等加💛工(gong)精度，再配(pei)合熱處理(li)工藝，從而(er)克服渦街(jie)流量計存(cun)在🔞的固有(you)自振蕩頻(pin)率對信号(hao)的影響，其(qi)精度等級(ji)能夠達到(dao)±2.5%FS以上，主要(yao)通過優化(hua)設計和試(shi)驗，确定其(qi)插入深度(du)的正确選(xuan)擇。
1測量原(yuan)理
插入式(shi)渦街流量(liang)計實現流(liu)量測量的(de)理論基礎(chu)是流體☁️力(li)學🔴中著名(ming)的“卡門渦(wo)街”原理，在(zai)流動的流(liu)體中裝置(zhi)一個非線(xian)性三角⚽柱(zhu)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(shi)📧，會在渦旋(xuan)發生體下(xia)遊産生兩(liang)列不對稱(cheng)，但有規律(lü)交替地分(fen)離釋放出(chu)一系🈲列漩(xuan)渦束，隻📧有(you)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(bi)滿足h/L=0.281時♋，所(suo)産生的渦(wo)街才是穩(wen)定的[2]。
按國(guo)際标準化(hua)組織IS07145（在環(huan)形截面封(feng)閉管道中(zhong)的流體流(liu)量測定——在(zai)截面一點(dian)的速度測(ce)量法），采用(yong)埋入壓電(dian)晶體🌈的渦(wo)街測速探(tan)頭，插入大(da)口徑工業(ye)管道🤟内，将(jiang)卡門旋渦(wo)頻率轉換(huan)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(ji)
根據流體(ti)力學的相(xiang)關知識，從(cong)以下幾個(ge)方面進行(hang)探🌍讨與研(yan)究：
2.1流體介(jie)質的密度(du)
流體質量(liang)不随外界(jie)條件變化(hua)而變化，但(dan)流體體積(ji)與溫🌈度和(he)壓力密切(qie)相關。也就(jiu)是，流體密(mi)度是溫度(du)和壓力的(de)🤩函數。
2.2流體(ti)介質的粘(zhan)度
先觀察(cha)河中水流(liu)動的現象(xiang)，可以看到(dao)河中央的(de)水流速最(zui)快，越✨靠近(jin)岸邊的水(shui)流得越慢(man)。同樣，當流(liu)體在管道(dao)中流動時(shi)，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(jie)質的粘度(du)和在管道(dao)内部産生(sheng)摩擦的緣(yuan)故。

由于流(liu)體介質的(de)密度和粘(zhan)度的關系(xi)，一切流體(ti)介質在流(liu)動時内部(bu)各個層面(mian)的速度是(shi)不同的。在(zai)相🏃‍♂️鄰層的(de)接👈觸面上(shang)存在着一(yi)對等值反(fan)向的力，速(su)度較快的(de)流層帶動(dong)流層速度(du)較慢的流(liu)📱層，使之加(jia)快速度；速(su)度較慢的(de)流層阻滞(zhi)速度較快(kuai)的流層使(shi)之♍減速，這(zhe)種阻㊙️滞力(li)稱之爲内(nei)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(nei)摩擦的量(liang)度，是流體(ti)反抗變形(xing)的能力。
2.3雷(lei)諾數和流(liu)态[
根據測(ce)量管道内(nei)流體的流(liu)動狀态和(he)流速的分(fen)布情況，雷(lei)諾♊數是表(biao)征流體流(liu)動特性的(de)一個重要(yao)參數。雷諾(nuo)數表征了(le)流體流動(dong)時慣性力(li)和粘性力(li)的無綱量(liang)參數，其比(bi)值如㊙️下式(shi)給出[1]
Re=VD/γ（管道(dao)爲圓管時(shi)）
式中：V—流動(dong)橫截面的(de)平均流速(su)，單位：米/秒(miao)（m/s）。
D—流動的特(te)性長度爲(wei)管道直徑(jing)，單位：米（m）。
γ—流(liu)體的運動(dong)粘度，單位(wei)：平方米/秒(miao)（m2/s）。
對于流動(dong)介質的斷(duan)面爲圓管(guan)時，有一個(ge)共同的臨(lin)界雷諾數(shu)Rec，一般情況(kuang)下，Rec=2300。
當Re＜Rec時，管(guan)道内流體(ti)爲層流（層(ceng)流是流體(ti)流動時，如(ru)果流體質(zhi)點的軌迹(ji)随初始空(kong)間坐标x、y、z和(he)時間t而變(bian)，則💔是有規(gui)則的光滑(hua)曲線，最簡(jian)單的情形(xing)是直線），如(ru)圖2（a）所示。

根(gen)據以上各(ge)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(ji)難題
根據(ju)中華人民(min)共和國機(ji)械行業标(biao)準：JB/T9249-2015《渦街流(liu)量計🏃🏻‍♂️》進行(hang)插入式渦(wo)街流量計(ji)的研制與(yu)設計。在試(shi)驗過🎯程中(zhong)，因爲理論(lun)研究不充(chong)分，再加上(shang)經驗不足(zu)，采用插入(ru)深度是按(an)照以往其(qi)它産品（插(cha)入☀️式電磁(ci)流量計）的(de)經驗，以插(cha)入深度爲(wei)現場管道(dao)内徑❗的12.5%進(jin)行試✏️驗，其(qi)對介質🌈流(liu)量的檢測(ce)值與同種(zhong)規格管道(dao)法蘭式結(jie)構的渦街(jie)🍓流量計進(jin)行比較，偏(pian)差值較大(da)、儀表準确(que)度無法滿(man)足設計要(yao)求。試驗安(an)裝位置和(he)安裝方法(fa)如圖4所示(shi)。

插入式渦(wo)街流量計(ji)插入深度(du)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(ru)式渦街流(liu)量計标校(xiao)原始記錄(lu)，流量範圍(wei)：（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(yi)表系數：2.45N/L；最(zui)小儀表系(xi)數：1.743N/L；最終儀(yi)表系數：2.0965N/L；線(xian)性誤差：16.86%；重(zhong)複性誤差(cha)：0.20%。
對以上的(de)試驗結果(guo)與相同規(gui)格、型号、量(liang)程的法蘭(lan)式渦街流(liu)量計相對(dui)比，其精度(du)無法相比(bi)。結論：插入(ru)深度🔅有問(wen)🈚題，或插入(ru)式渦街流(liu)量計的采(cai)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(liang)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(cha)入式電磁(ci)流量計的(de)結構原理(li)進行分析(xi)，插入式電(dian)磁流量計(ji)的信号采(cai)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(er)渦街流量(liang)計是根據(ju)“卡門渦街(jie)”原理進行(hang)⚽測量管道(dao)内流量，根(gen)據标校管(guan)道内層流(liu)和湍流的(de)分析，以及(ji)插❓入式渦(wo)街流量計(ji)獨特的探(tan)頭結構形(xing)式，确定插(cha)入式渦街(jie)流量計的(de)插入深度(du)爲标校管(guan)道内50%，試驗(yan)安裝位置(zhi)和安裝方(fang)法如圖5所(suo)示。

插入式(shi)渦街流量(liang)計插入深(shen)度爲現場(chang)管道内徑(jing)的50%時，試驗(yan)數據如下(xia)（以DN200爲例）：
插(cha)入式渦街(jie)流量計标(biao)校原始記(ji)錄，流量範(fan)圍：（90～400）m3/h；标定介(jie)質：水；标定(ding)溫度：20℃；标定(ding)壓力：1.0MPa。
檢定(ding)結論[3]：最大(da)儀表系數(shu)：0.144N/L；最小儀表(biao)系數：0.143N/L；最終(zhong)儀表系數(shu)：0.143N/L；線性誤差(cha)：0.23%；重複性誤(wu)差：0.20%；儀表精(jing)度：0.31%。

4結論
一(yi)種插入式(shi)渦街流量(liang)計在實際(ji)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(you)化🔞設計，以(yi)及插入深(shen)度的确定(ding)，确保提高(gao)其在現場(chang)運行過程(cheng)中的穩定(ding)性、精度等(deng)級和抗幹(gan)擾能力👣，充(chong)分發揮插(cha)入式渦街(jie)流量計自(zi)有優勢，對(dui)該産品質(zhi)量的提升(sheng)以及可操(cao)作性都具(ju)有實質性(xing)推動作用(yong)，同時配合(he)輔助工💘具(ju)還可實現(xian)現場不停(ting)産安裝或(huo)更換♉，彌補(bu)了法蘭式(shi)渦街流量(liang)計體積大(da)📧、整體重量(liang)過大、安裝(zhuang)不便等現(xian)象，爲用戶(hu)提供了方(fang)便，特别适(shi)用于大管(guan)道介質的(de)測量，其性(xing)價比高😄、适(shi)用廣泛。

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