摘要：描述(shù)插入式渦街流(liú)量計 的工作原(yuan)理，根據流體力(lì)學中著名的“卡(kǎ)門渦街”原☔理🍓進(jin)行流量💋測量，同(tong)時根據被測介(jiè)質流速分布情(qing)況，簡述渦旋發(fa)💞生體（非線性三(san)角柱形體）以及(ji)探頭🐆的結構形(xing)式；經試驗論♈證(zhèng)了插入式渦街(jiē)流量計在被測(ce)管道内正确的(de)插入深度（主要(yào)是渦旋發生體(ti)🔴和并聯方式的(de)四片壓電晶體(ti)與被測管道的(de)相對位置），從而(er)确定安裝現場(chǎng)的通用原則和(hé)規範，彌補✂️了法(fǎ)蘭式渦街流量(liàng)計的體積大、整(zhěng)💔體重量過大、安(ān)裝⚽不便等不足(zú)現象，具有很高(gāo)的性價比。
0引言(yán)
渦街流量計 均(jun1)以管道法蘭式(shi)結構形式在用(yòng)戶中廣泛使用(yòng)，但⁉️其⭐相對價格(ge)較高，且隻有在(zai)現場管線停産(chan)檢修時👅才能進(jìn)行安裝、維護。針(zhēn)對此種情況，研(yán)制了插入式渦(wo)街量計，因其特(te)殊的結構形式(shì)，可實💜現現場管(guan)道👣在不停産的(de)狀态下進行安(an)裝或更換插入(rù)式渦街流量計(jì)，該産品造價低(dī)、抗振性強、無零(líng)點漂移、可靠♍性(xing)高。通過長時🤟間(jian)對插入式渦街(jie)流量計進行🏃‍♀️大(da)量波形分析和(hé)頻譜分析，設計(ji)出的探💁頭形狀(zhuang)、壁厚、高度🏃‍♀️、探頭(tou)杆直徑、發生體(ti)的幾何尺寸，和(he)與🧡之相配套采(cǎi)用并聯方式的(de)四片壓電晶體(tǐ)及插入式渦👌街(jiē)流🥰量計插入管(guǎn)道的深度，普遍(bian)适用于大口徑(jìng)工業管道安裝(zhuang)特點。采用先進(jìn)的加工中心進(jin)行生産加工各(ge)個零部件，确保(bǎo)各個零部件的(de)同軸度和表面(mian)粗糙度等加🔞工(gong)精度，再配合熱(rè)處理🎯工藝，從而(ér)克服渦街流量(liàng)計存在的固有(yǒu)自振蕩頻率㊙️對(duì)信号的影❄️響♌，其(qí)精度等級能夠(gòu)達到±2.5%FS以上，主要(yào)通過優化設計(jì)和試驗，确定其(qí)♋插入深度的正(zheng)确選擇。
1測量原(yuán)理
插入式渦街(jiē)流量計實現流(liú)量測量的理論(lun)基礎是🍓流體力(li)學中📧著名的“卡(kǎ)門渦街”原理，在(zai)流動的流體中(zhong)裝置一㊙️個非線(xian)性三角🈲柱形體(tǐ)，即渦旋發生體(ti)，如圖1所示[1]。當流(liu)體沿渦旋發生(shēng)體繞流時，會在(zài)渦旋發生體下(xià)遊産生兩列不(bu)對稱，但有規律(lǜ)交替地分離釋(shì)放出一系列漩(xuán)渦束，隻有當兩(liang)渦漩👈列之間的(de)距🚩離h和同列的(de)兩渦漩之間的(de)距離L之比滿足(zú)h/L=0.281時🔴，所産🏃🏻‍♂️生的渦(wo)街才是穩定的(de)[2]。
按國際标準化(hua)組織IS07145（在環形截(jie)面封閉管道中(zhong)的流體流量測(cè)定——在截面一點(dian)的速度測量法(fǎ)），采用埋入壓電(dian)晶體的渦街測(cè)速探頭，插入大(dà)口徑工業管道(dao)内，将卡門旋渦(wo)♈頻率轉換爲與(yu)📱流量成正比的(de)标準信号：（4～20）mADC。
2插入(ru)式渦街流量計(ji)優化設計
根據(ju)流體力學的相(xiàng)關知識，從以下(xia)幾個方面進行(hang)🌈探讨與研究🍉：
2.1流(liu)體介質的密度(dù)
流體質量不随(suí)外界條件變化(huà)而變化，但流體(tǐ)體積與溫度和(hé)壓力密切相關(guān)。也就是，流體密(mì)度是溫度和壓(yā)💋力的函數♌。
2.2流體(ti)介質的粘度
先(xiān)觀察河中水流(liú)動的現象，可以(yi)看到河中央的(de)水流速最快，越(yuè)靠近岸邊的水(shui)流得越慢。同樣(yàng)，當流體在管道(dao)中流動時，管道(dao)中心的流速最(zuì)快，越靠近管壁(bi)處的🌈流速越慢(màn)，這是👌流體流🈲動(dòng)時，由于流體介(jiè)質🔞的粘度和在(zai)管道内部産生(shēng)摩擦的緣故。

由(yóu)于流體介質的(de)密度和粘度的(de)關系，一切流體(tǐ)介質在流動時(shi)内部各個層面(miàn)的速度是不同(tong)的。在相鄰層的(de)接觸面🙇🏻上存在(zai)着一對等值反(fǎn)向的力，速度較(jiao)快的流層帶動(dòng)流層速度較慢(màn)的流🥵層，使之加(jia)快速度；速度✨較(jiào)慢的流層阻滞(zhi)速度較快的流(liu)層使之🈲減速，這(zhè)種阻滞力稱之(zhi)爲内摩擦力，流(liu)體之間的相互(hù)作用稱爲🙇‍♀️流體(ti)内摩擦（即：牛頓(dùn)内摩擦定律），而(er)粘度是内摩擦(cā)的量度，是流體(tǐ)反抗變形的能(néng)力。
2.3雷諾數和流(liu)态[
根據測量管(guan)道内流體的流(liu)動狀态和流速(sù)的分布情況🈚，雷(lei)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼諾🐆數⛷️是表征流(liu)體流動特性的(de)一個重要參數(shu)。雷諾數表征了(le)流🧑🏽‍🤝‍🧑🏻體流動時慣(guàn)性力和粘性力(lì)的無綱量參數(shù)，其比值如下式(shì)給出[1]
Re=VD/γ（管道爲圓(yuán)管時）
式中：V—流動(dong)橫截面的平均(jun1)流速，單位：米/秒(miao)（m/s）。
D—流動的特性長(zhang)度爲管道直徑(jìng)，單位：米（m）。
γ—流體的(de)運動粘度，單位(wei)：平方米/秒（m2/s）。
對于(yú)流動介質的斷(duàn)面爲圓管時，有(you)一個共同的臨(lín)界雷⛷️諾數Rec，一般(bān)情況下，Rec=2300。
當Re＜Rec時，管(guan)道内流體爲層(céng)流（層流是流體(ti)流動時，如果流(liu)🏃體質♻️點的軌迹(jì)随初始空間坐(zuò)标x、y、z和時間t而變(biàn)，則是有規則㊙️的(de)光滑曲線，最簡(jiǎn)單的情形是直(zhi)線），如圖2（a）所示。

根(gen)據以上各種參(can)數的分析，最終(zhong)設計出探頭部(bù)件，如圖✂️3所示。

3實(shí)踐當中遇到的(de)實際難題
根據(jù)中華人民共和(hé)國機械行業标(biao)準：JB/T9249-2015《渦街流量計(ji)》進行插入🌈式🔴渦(wo)街流量計的研(yan)制與設計。在試(shì)驗過程中，因爲(wèi)理論研究不充(chōng)分，再加上經驗(yan)不足，采用插入(rù)深度是按照以(yǐ)往其它産品（插(chā)入式電磁流量(liang)計）的經驗，以插(chā)入深度爲現場(chang)管道内徑的12.5%進(jin)行試驗，其對介(jie)質流量的檢測(ce)值與同種規格(ge)管道法蘭🏃🏻式結(jie)構的渦街流量(liang)計進行比較，偏(piān)差值較大、儀表(biao)準确度無🔱法滿(mǎn)足設計要求。試(shi)驗安裝位置和(he)安裝方法如圖(tu)4所示。

插入式渦(wō)街流量計插入(ru)深度爲現場管(guan)道内徑的12.5%時，試(shi)驗㊙️數據如下（以(yǐ)DN200爲例）：

插入式渦(wo)街流量計标校(xiào)原始記錄，流量(liang)範圍：（90～400）m3/h；标定介質(zhi)：水⚽；标定溫度：20℃；标(biao)定壓力：1.0Mpa。
标定結(jié)論[3]：最大儀表系(xi)數：2.45N/L；最小儀表系(xì)數：1.743N/L；最終儀表系(xi)數💘：2.0965N/L；線性誤差：16.86%；重(zhòng)複性誤差：0.20%。
對以(yǐ)上的試驗結果(guǒ)與相同規格、型(xing)号、量程的法蘭(lan)式渦街流✨量計(jì)相對比，其精度(dù)無法相比。結論(lùn)：插入深度✂️有問(wen)題，或☔插入式渦(wō)街流量計的采(cai)集信号的探頭(tou)結構有問題。
經(jing)過分析、研究，插(cha)入式渦街流量(liang)計的采集信号(hào)的探頭結構🏒确(què)🌐定沒有問題。
對(dui)插入式渦街流(liu)量計和插入式(shi)電磁流量計的(de)結構原理進行(hang)分析，插入式電(dian)磁流量計的信(xìn)号采集點在📞标(biao)校❌管道内12.5%爲😍宜(yí)，因它屬電磁類(lèi)流量計，而渦街(jie)流量計是根據(ju)“卡門渦街”原理(li)進行測量管道(dao)内流量，根據标(biāo)校管道㊙️内層流(liú)和湍流的分析(xi)，以及插入式渦(wo)街流量計獨特(te)的探頭結構形(xing)式，确定插入式(shì)渦街流量計的(de)插入深度爲标(biao)校管道内50%，試🌈驗(yàn)安裝位置和安(an)裝方法如圖🍓5所(suo)示。

插入式渦街(jie)流量計插入深(shen)度爲現場管道(dao)内徑的50%時，試驗(yan)數♌據如下（以DN200爲(wei)例）：
插入式渦街(jie)流量計标校原(yuan)始記錄，流量範(fan)圍：（90～400）m3/h；标定介質：水(shuǐ)；标定溫度：20℃；标定(dìng)壓力：1.0MPa。
檢定結論(lùn)[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%；重複(fu)性誤差：0.20%；儀表精(jing)度：0.31%。

4結論
一種插(cha)入式渦街流量(liàng)計在實際應用(yong)過程中，經過該(gai)儀表特✏️殊結構(gou)分析和根據流(liú)體力學的特性(xìng)，對探頭進行優(yōu)化設計，以及插(chā)入深度的确定(ding)，确保提高其在(zài)🙇‍♀️現場運行過程(cheng)中的穩定性、精(jing)度等級和抗🧡幹(gàn)擾能力，充分發(fā)揮插入式渦街(jie)流量計自有優(yōu)勢，對該産品質(zhi)🤞量的提升以及(ji)可操作性🌈都具(ju)有實質🏃🏻性推動(dòng)作用，同時配合(hé)輔助工具還可(kě)實現現場不✉️停(ting)産安裝或更換(huàn)，彌補了法蘭式(shì)渦街流量計體(ti)積❌大、整體重量(liàng)過大、安裝不便(bian)等現象，爲用戶(hù)提供了方便，特(tè)别适用于大管(guan)🚩道介質的測量(liàng)，其性價比高、适(shì)用廣泛。

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