摘要：描述(shù)插入式渦(wo)街流量計(ji) 的工作原(yuán)理，根據流(liu)體力學中(zhong)著名的“卡(kǎ)門渦街”原(yuan)理進行流(liu)量測量，同(tóng)時根據被(bèi)測介質流(liú)速分布情(qíng)況，簡🏃‍♂️述渦(wo)旋發生體(ti)（非線性三(san)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(zai)被測管道(dao)内正确的(de)🎯插入深度(dù)（主要是渦(wo)旋發生體(ti)和并聯方(fāng)式的四片(pian)壓電晶體(tǐ)與被測管(guan)道的相對(dui)位置），從而(ér)确🚶定☔安裝(zhuang)現場的通(tong)用原則和(hé)規範，彌補(bu)了法蘭式(shì)渦街流量(liàng)計的體積(jī)大、整體重(zhòng)量過大、安(ān)裝不便等(deng)不足現象(xiang)❗，具有很高(gāo)的性價比(bi)㊙️。
0引言
渦街(jiē)流量計 均(jun)以管道法(fǎ)蘭式結構(gòu)形式在用(yòng)戶中廣泛(fan)使用，但🐇其(qi)相對價💋格(ge)較高，且隻(zhi)有在現場(chǎng)管線停産(chan)檢修時才(cái)能進行安(an)裝、維護。針(zhēn)對此種情(qíng)況，研制了(le)插入式渦(wo)街量計，因(yīn)其特殊的(de)結構形式(shì)，可實現現(xiàn)場管道🌈在(zài)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(dī)、抗🧑🏾‍🤝‍🧑🏼振性強(qiáng)、無零點漂(piao)移、可靠🐪性(xìng)高。通過長(zhang)時間對插(cha)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(zhuàng)、壁厚、高度(du)、探頭杆直(zhí)徑、發生體(tǐ)的幾何尺(chǐ)寸，和與之(zhi)相配套采(cǎi)用并聯方(fang)式的四片(pian)壓電晶體(tǐ)及插入式(shì)渦街流量(liang)計插入管(guǎn)道的深度(du)，普遍适用(yong)于大口徑(jing)工業管道(dao)安裝特點(diǎn)💛。采用先進(jìn)的‼️加工中(zhōng)心進行生(sheng)産加工各(ge)個零部件(jiàn)，确保各個(gè)零部件的(de)同軸度和(hé)表面粗糙(cāo)度等加⭐工(gōng)精度，再配(pèi)合熱處理(li)🌈工藝，從而(ér)克服渦街(jiē)流量計存(cun)在的固有(yǒu)自振蕩頻(pin)率對信号(hào)的影✍️響，其(qí)精度等級(jí)能夠達☎️到(dao)±2.5%FS以上，主要(yao)通過優化(huà)設計和試(shì)驗，确定其(qi)㊙️插入深度(dù)的正确選(xuan)擇。
1測量原(yuan)理
插入式(shì)渦街流量(liang)計實現流(liu)量測量的(de)理論基礎(chǔ)是流體力(li)學中🙇‍♀️著名(míng)的“卡門渦(wō)街”原理，在(zài)流動的流(liú)體中裝置(zhi)一個非❄️線(xian)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(shi)，會在渦旋(xuán)發生體下(xia)遊産生兩(liang)列不對稱(chēng)，但有規律(lü)交替地分(fèn)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(tóng)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(wěn)定的[2]。
按國(guó)際标準化(hua)組織IS07145（在環(huan)形截面封(fēng)閉管道中(zhong)的流體流(liú)量測定——在(zài)截面一點(dian)的速度測(ce)量法），采用(yòng)埋入壓電(diàn)🐕晶體的渦(wō)街測速探(tan)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(liàng)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(tǐ)力學的相(xiang)關知識，從(cong)以下幾個(ge)方面進行(háng)探讨✔️與研(yán)❓究：
2.1流體介(jie)質的密度(dù)
流體質量(liang)不随外界(jiè)條件變化(hua)而變化，但(dan)流體體積(jī)與⛹🏻‍♀️溫度和(he)壓力密切(qiē)相關。也就(jiù)是，流體密(mì)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(chá)河中水流(liú)動的現象(xiang)，可以看到(dào)河中央的(de)水流🥵速最(zui)快，越🔅靠近(jin)岸邊的水(shuǐ)流得越慢(man)。同樣，當流(liu)體⁉️在管道(dao)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(màn)，這是流體(ti)流🥰動時，由(yóu)于流體介(jiè)質的粘度(du)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(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(miàn)的速度是(shi)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(dong)流層速度(du)較慢的流(liú)🚶‍♀️層，使之加(jiā)快速度；速(sù)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(lì)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(mó)擦定律🈲），而(er)粘度是内(nèi)摩擦的量(liàng)🔴度，是流🔞體(ti)反抗變形(xíng)的能力。
2.3雷(lei)諾數和流(liu)态[
根據測(cè)量管道内(nèi)流體的流(liu)動狀态和(he)流速的分(fèn)布情況，雷(léi)諾數是表(biao)征流體流(liu)動特性的(de)一個重要(yao)參數。雷🈲諾(nuò)數表征🔴了(le)流體流🐅動(dòng)時慣性力(lì)和粘性力(lì)的無綱量(liàng)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(sù)，單位：米/秒(miao)（m/s）。
D—流動的特(te)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(wei)：平方米/秒(miǎo)（m2/s）。
對于流動(dòng)介質的斷(duàn)面爲圓管(guan)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(tǐ)流動時，如(rú)果流體質(zhì)點的💘軌迹(jì)随初始空(kong)間坐标x、y、z和(hé)時間t而變(bian)，則是有規(gui)則的光滑(huá)曲🐉線，最⛷️簡(jiǎn)單的情形(xíng)是直線），如(rú)圖2（a）所示。

根(gēn)據以上各(ge)種參數的(de)分析，最終(zhong)設計出探(tàn)頭部件，如(rú)圖3所示。

3實(shi)踐當中遇(yù)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(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(zhōng)☂️，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(qí)它産品（插(chā)入式電磁(ci)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(jin)行試驗，其(qí)對介質流(liu)量的檢測(ce)值與同種(zhǒng)規格管道(dào)法蘭式結(jié)構的渦街(jiē)流量計進(jin)行比較，偏(pian)差值較大(da)、儀表準确(que)度無法滿(mǎn)足設計要(yào)求。試驗安(an)裝位置和(hé)安裝方法(fǎ)如圖4所示(shi)。

插入式渦(wo)街流量計(ji)插入深度(dù)爲現場管(guǎn)道内徑的(de)12.5%時，試🌈驗數(shù)據⛱️如下（以(yi)DN200爲例）：

插入(ru)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(wēn)度：20℃；标定壓(ya)力：1.0Mpa。
标定結(jié)論[3]：最大儀(yi)表系數：2.45N/L；最(zuì)小儀表系(xì)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(guǒ)與相同規(guī)格、型号、量(liang)程的法蘭(lán)㊙️式渦街流(liu)🔆量計相對(duì)比，其精度(dù)無法相比(bi)。結論：插入(ru)深度有問(wen)題，或插入(rù)式渦街流(liu)量計的采(cǎi)集信号的(de)探頭結構(gòu)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(què)定沒有問(wèn)題。
對插入(rù)式渦街流(liú)量計和插(chā)入式電磁(ci)流量計的(de)結構原理(lǐ)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(liàng)計是根據(ju)“卡門渦街(jie)”原理進行(hang)測量管道(dào)内流量，根(gen)據标校管(guan)道内層流(liú)和湍流的(de)分析，以及(jí)插入式渦(wō)街流量計(jì)獨特的😄探(tàn)頭結構形(xíng)式，确定插(cha)入‼️式渦街(jiē)流量計的(de)插入深度(du)爲标校管(guǎn)道内50%，試驗(yan)安裝位置(zhì)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(shen)度爲現場(chǎng)管道内徑(jing)的50%時❓，試驗(yan)🙇🏻數據如下(xia)（以DN200爲例）：
插(chā)入式渦街(jie)流量計标(biāo)校原始記(jì)錄，流量範(fàn)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(ding)結論[3]：最大(da)儀表系數(shù)：0.144N/L；最小儀表(biǎo)系數：0.143N/L；最終(zhong)儀表🔴系🏃‍♂️數(shu)：0.143N/L；線性誤差(chà)：0.23%；重複性誤(wù)差：0.20%；儀表精(jīng)度：0.31%。

4結論
一(yī)種插入式(shì)渦街流量(liang)計在實際(jì)應用過程(cheng)中，經過㊙️該(gai)儀表特殊(shu)📱結構分析(xī)和根據流(liú)體力學的(de)特性，對探(tan)頭進行👌優(you)化設計，以(yǐ)及插入深(shen)度的确定(dìng)，确保提高(gāo)其在現場(chǎng)運🚶‍♀️行過程(cheng)中的穩定(ding)性、精🐪度等(děng)級和抗幹(gan)擾能力，充(chōng)分發揮插(chā)入式渦街(jie)流量計自(zì)有優勢⭐，對(dui)該産品質(zhì)量的提升(sheng)以及可操(cāo)作性📱都具(ju)有實質😍性(xing)推動作用(yòng)，同時配合(hé)輔助工♊具(ju)還可實現(xian)現場不停(ting)産安裝🌐或(huò)更換，彌補(bǔ)了法蘭式(shì)渦街流量(liang)計體積大(da)、整體重量(liàng)過大、安裝(zhuāng)不便等現(xian)象，爲用戶(hu)提供了🈚方(fang)便，特别适(shi)用于大管(guǎn)👌道介質的(de)測量，其性(xing)價比高🔞、适(shì)用廣泛。

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