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摘要：描述插入式渦街流量計的工作原理，根據(jù)流體力學中著名的“卡門渦街”原理進行流量測量，同時根據(jù)被測介質(zhì)流速分布情況，簡述渦旋發(fā)生體（非線性三角柱形體）以及探頭的結(jié)構(gòu)形式；經(jīng)試驗論證了插入式渦街流量計在被測管道內(nèi)正確的插入深度（主要是渦旋發(fā)生體和并聯(lián)方式的四片壓電晶體與被測管道的相對位置），從而確定安裝現(xiàn)場的通用原則和規(guī)范，彌補了法蘭式渦街流量計的體積大、整體重量過大、安裝不便等不足現(xiàn)象，具有很高的性價比。
0引言
渦街流量計均以管道法蘭式結(jié)構(gòu)形式在用戶中廣泛使用，但其相對價格較高，且只有在現(xiàn)場管線停產(chǎn)檢修時才能進行安裝、維護。針對此種情況，研制了插入式渦街量計，因其特殊的結(jié)構(gòu)形式，可實現(xiàn)現(xiàn)場管道在不停產(chǎn)的狀態(tài)下進行安裝或更換插入式渦街流量計，該產(chǎn)品造價低、抗振性強、無零點漂移、可靠性高。通過長時間對插入式渦街流量計進行大量波形分析和頻譜分析，設計出的探頭形狀、壁厚、高度、探頭桿直徑、發(fā)生體的幾何尺寸，和與之相配套采用并聯(lián)方式的四片壓電晶體及插入式渦街流量計插入管道的深度，普遍適用于大口徑工業(yè)管道安裝特點。采用先進的加工中心進行生產(chǎn)加工各個零部件，確保各個零部件的同軸度和表面粗糙度等加工精度，再配合熱處理工藝，從而克服渦街流量計存在的固有自振蕩頻率對信號的影響，其精度等級能夠達到±2.5%FS以上，主要通過優(yōu)化設計和試驗，確定其插入深度的正確選擇。
1測量原理
插入式渦街流量計實現(xiàn)流量測量的理論基礎是流體力學中著名的“卡門渦街”原理，在流動的流體中裝置一個非線性三角柱形體，即渦旋發(fā)生體，如圖1所示[1]。當流體沿渦旋發(fā)生體繞流時，會在渦旋發(fā)生體下游產(chǎn)生兩列不對稱，但有規(guī)律交替地分離釋放出一系列漩渦束，只有當兩渦漩列之間的距離h和同列的兩渦漩之間的距離L之比滿足h/L=0.281時，所產(chǎn)生的渦街才是穩(wěn)定的[2]。
按國際標準化組織IS07145（在環(huán)形截面封閉管道中的流體流量測定——在截面一點的速度測量法），采用埋入壓電晶體的渦街測速探頭，插入大口徑工業(yè)管道內(nèi)，將卡門旋渦頻率轉(zhuǎn)換為與流量成正比的標準信號：（4～20）mADC。
2插入式渦街流量計優(yōu)化設計
根據(jù)流體力學的相關(guān)知識，從以下幾個方面進行探討與研究：
2.1流體介質(zhì)的密度
流體質(zhì)量不隨外界條件變化而變化，但流體體積與溫度和壓力密切相關(guān)。也就是，流體密度是溫度和壓力的函數(shù)。
2.2流體介質(zhì)的粘度
先觀察河中水流動的現(xiàn)象，可以看到河中央的水流速最快，越靠近岸邊的水流得越慢。同樣，當流體在管道中流動時，管道中心的流速最快，越靠近管壁處的流速越慢，這是流體流動時，由于流體介質(zhì)的粘度和在管道內(nèi)部產(chǎn)生摩擦的緣故。

由于流體介質(zhì)的密度和粘度的關(guān)系，一切流體介質(zhì)在流動時內(nèi)部各個層面的速度是不同的。在相鄰層的接觸面上存在著一對等值反向的力，速度較快的流層帶動流層速度較慢的流層，使之加快速度；速度較慢的流層阻滯速度較快的流層使之減速，這種阻滯力稱之為內(nèi)摩擦力，流體之間的相互作用稱為流體內(nèi)摩擦（即：牛頓內(nèi)摩擦定律），而粘度是內(nèi)摩擦的量度，是流體反抗變形的能力。
2.3雷諾數(shù)和流態(tài)[
根據(jù)測量管道內(nèi)流體的流動狀態(tài)和流速的分布情況，雷諾數(shù)是表征流體流動特性的一個重要參數(shù)。雷諾數(shù)表征了流體流動時慣性力和粘性力的無綱量參數(shù)，其比值如下式給出[1]
Re=VD/γ（管道為圓管時）
式中：V—流動橫截面的平均流速，單位：米/秒（m/s）。
D—流動的特性長度為管道直徑，單位：米（m）。
γ—流體的運動粘度，單位：平方米/秒（m2/s）。
對于流動介質(zhì)的斷面為圓管時，有一個共同的臨界雷諾數(shù)Rec，一般情況下，Rec=2300。
當Re＜Rec時，管道內(nèi)流體為層流（層流是流體流動時，如果流體質(zhì)點的軌跡隨初始空間坐標x、y、z和時間t而變，則是有規(guī)則的光滑曲線，最簡單的情形是直線），如圖2（a）所示。

根據(jù)以上各種參數(shù)的分析，最終設計出探頭部件，如圖3所示。

3實踐當中遇到的實際難題
根據(jù)中華人民共和國機械行業(yè)標準：JB/T9249-2015《渦街流量計》進行插入式渦街流量計的研制與設計。在試驗過程中，因為理論研究不充分，再加上經(jīng)驗不足，采用插入深度是按照以往其它產(chǎn)品（插入式電磁流量計）的經(jīng)驗，以插入深度為現(xiàn)場管道內(nèi)徑的12.5%進行試驗，其對介質(zhì)流量的檢測值與同種規(guī)格管道法蘭式結(jié)構(gòu)的渦街流量計進行比較，偏差值較大、儀表準確度無法滿足設計要求。試驗安裝位置和安裝方法如圖4所示。

插入式渦街流量計插入深度為現(xiàn)場管道內(nèi)徑的12.5%時，試驗數(shù)據(jù)如下（以DN200為例）：

插入式渦街流量計標校原始記錄，流量范圍：（90～400）m3/h；標定介質(zhì)：水；標定溫度：20℃；標定壓力：1.0Mpa。
標定結(jié)論[3]：最大儀表系數(shù)：2.45N/L；最小儀表系數(shù)：1.743N/L；最終儀表系數(shù)：2.0965N/L；線性誤差：16.86%；重復性誤差：0.20%。
對以上的試驗結(jié)果與相同規(guī)格、型號、量程的法蘭式渦街流量計相對比，其精度無法相比。結(jié)論：插入深度有問題，或插入式渦街流量計的采集信號的探頭結(jié)構(gòu)有問題。
經(jīng)過分析、研究，插入式渦街流量計的采集信號的探頭結(jié)構(gòu)確定沒有問題。
對插入式渦街流量計和插入式電磁流量計的結(jié)構(gòu)原理進行分析，插入式電磁流量計的信號采集點在標校管道內(nèi)12.5%為宜，因它屬電磁類流量計，而渦街流量計是根據(jù)“卡門渦街”原理進行測量管道內(nèi)流量，根據(jù)標校管道內(nèi)層流和湍流的分析，以及插入式渦街流量計獨特的探頭結(jié)構(gòu)形式，確定插入式渦街流量計的插入深度為標校管道內(nèi)50%，試驗安裝位置和安裝方法如圖5所示。

插入式渦街流量計插入深度為現(xiàn)場管道內(nèi)徑的50%時，試驗數(shù)據(jù)如下（以DN200為例）：
插入式渦街流量計標校原始記錄，流量范圍：（90～400）m3/h；標定介質(zhì)：水；標定溫度：20℃；標定壓力：1.0MPa。
檢定結(jié)論[3]：最大儀表系數(shù)：0.144N/L；最小儀表系數(shù)：0.143N/L；最終儀表系數(shù)：0.143N/L；線性誤差：0.23%；重復性誤差：0.20%；儀表精度：0.31%。

4結(jié)論
一種插入式渦街流量計在實際應用過程中，經(jīng)過該儀表特殊結(jié)構(gòu)分析和根據(jù)流體力學的特性，對探頭進行優(yōu)化設計，以及插入深度的確定，確保提高其在現(xiàn)場運行過程中的穩(wěn)定性、精度等級和抗干擾能力，充分發(fā)揮插入式渦街流量計自有優(yōu)勢，對該產(chǎn)品質(zhì)量的提升以及可操作性都具有實質(zhì)性推動作用，同時配合輔助工具還可實現(xiàn)現(xiàn)場不停產(chǎn)安裝或更換，彌補了法蘭式渦街流量計體積大、整體重量過大、安裝不便等現(xiàn)象，為用戶提供了方便，特別適用于大管道介質(zhì)的測量，其性價比高、適用廣泛。

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