摘要：描述(shu)插入式渦街(jiē)流量計 的工(gōng)作原理，根據(jù)流體力學中(zhong)著名的“卡門(mén)渦街”原理進(jin)行流量測量(liang)，同時根據被(bei)測介質流速(sù)分布情況，簡(jian)述渦旋發生(sheng)體✔️（非線性三(sān)角柱形體）以(yi)及探頭的結(jié)構形式；經試(shi)驗論證了插(chā)入式渦街流(liu)量計在被測(cè)管道内正确(que)的插入深度(du)（主要是渦❗旋(xuán)發生體和并(bing)聯方式的四(si)片壓電晶體(ti)與被測管道(dào)的相對位置(zhì)），從而确定安(ān)裝現場的通(tōng)用原則和規(guī)範，彌補🏃了法(fǎ)蘭式渦街流(liu)♻️量計的體積(jī)大、整體重量(liang)過大、安裝不(bu)便等不足現(xian)象，具有很高(gāo)的性價比。
0引(yin)言
渦街流量(liang)計 均以管道(dao)法蘭式結構(gou)形式在用戶(hù)中廣泛使用(yòng)，但其相對價(jià)☀️格較高，且隻(zhī)有在現場管(guan)線停産檢修(xiu)時才能🧑🏾‍🤝‍🧑🏼進行(hang)👅安裝、維護。針(zhen)對此種情況(kuàng)，研制了插入(ru)式渦街量計(ji)，因其特殊的(de)結構形式，可(kě)實現現場管(guǎn)道在不停産(chǎn)的狀态下進(jìn)行安裝或更(geng)換插入式渦(wo)街流量計，該(gai)産💰品造價低(di)、抗振性強、無(wú)零點漂移、可(kě)靠性高。通過(guò)長時間對插(chā)入式渦街流(liú)量計進行❄️大(dà)量波形分析(xī)和頻譜🐅分析(xi)，設計出的探(tàn)頭形狀、壁厚(hòu)、高度、探頭杆(gǎn)直徑、發生體(ti)的幾何尺寸(cun)，和與之相配(pei)套🔞采用并聯(lián)🥵方式的四片(piàn)壓電晶體及(ji)插入式渦街(jie)流量計插入(ru)管道的深度(dù)，普遍适用于(yu)大口徑工業(ye)管道安裝特(tè)點。采用先進(jin)的加工中心(xīn)進行生産加(jiā)工各個零部(bù)件，确保各個(gè)零部件🐇的同(tóng)軸度和表面(mian)粗糙度等加(jia)🍉工精度，再配(pèi)合熱處理工(gōng)藝，從✂️而克服(fu)渦📐街流量計(jì)存在的固有(yǒu)自振蕩頻率(lǜ)對信号的影(ying)響，其精度等(děng)級能夠達到(dao)±2.5%FS以上，主要通(tōng)過✊優化設計(ji)和試驗👣，确定(dìng)其🥵插入深度(dù)的正确選擇(zé)。
1測量原理
插(cha)入式渦街流(liú)量計實現流(liú)量測量的理(li)論基礎是流(liu)體力學中著(zhe)名的“卡門渦(wō)街”原理，在流(liu)動的流體中(zhōng)裝置一個非(fēi)線性三角柱(zhù)形體，即渦旋(xuán)發生體，如圖(tú)1所示♍[1]。當流體(ti)沿渦旋發生(shēng)體✏️繞流時，會(hui)在渦旋發生(shēng)體下遊産生(sheng)兩列不對稱(cheng)，但♊有規律交(jiao)替地分離釋(shì)放出一系列(lie)漩渦束，隻有(yǒu)當兩渦漩列(lie)之間的距🈲離(lí)h和同列的兩(liǎng)渦漩之間的(de)距離L之比滿(mǎn)足h/L=0.281時，所産生(shēng)的渦街才是(shì)穩定的[2]。
按國(guó)際标準化組(zǔ)織IS07145（在環形截(jie)面封閉管道(dào)中的流體流(liu)量🏃🏻測定——在截(jié)面一點的速(sù)度測量法），采(cai)用埋入壓電(dian)晶體✏️的渦街(jie)測速探頭，插(chā)入大口徑工(gong)業管道内，将(jiāng)卡💋門旋渦🏒頻(pín)率轉換爲與(yǔ)流量成正比(bi)的标準信号(hao)：（4～20）mADC。
2插入式渦街(jiē)流量計優化(huà)設計
根據流(liu)體力學的相(xiang)關知識，從以(yi)下幾個方面(miàn)進行探讨與(yu)研😍究：
2.1流體介(jie)質的密度
流(liu)體質量不随(suí)外界條件變(biàn)化而變化，但(dàn)流體體積與(yǔ)溫💃🏻度🛀和壓力(lì)密切相關。也(ye)就是，流體密(mi)度是溫度和(he)壓力的❄️函數(shù)。
2.2流體介質的(de)粘度
先觀察(cha)河中水流動(dong)的現象，可以(yǐ)看到河中央(yāng)的水流速最(zuì)快，越靠近岸(àn)邊的水流得(de)越慢。同樣，當(dang)流體在管道(dào)中流動🚶‍♀️時，管(guǎn)道中心的流(liú)速最快，越靠(kao)近管壁處的(de)✔️流速越慢，這(zhè)是㊙️流體流動(dong)時，由于流體(tǐ)介質的粘度(du)和在管道内(nèi)㊙️部産生摩擦(ca)的緣故。

由于(yu)流體介質的(de)密度和粘度(dù)的關系，一切(qiē)流體介質在(zài)流☎️動時⭐内部(bu)各個層面的(de)速度是不同(tong)的。在相📐鄰層(ceng)的接🐅觸面上(shàng)存在着🥰一對(dui)等值反向的(de)力，速度🔞較快(kuài)的流層帶動(dong)流層速度較(jiao)慢的流層，使(shi)之加快速度(dù)；速度較慢的(de)流層阻滞速(su)度較快的流(liu)層使之🧑🏾‍🤝‍🧑🏼減速(sù)，這種阻滞力(lì)稱之爲内摩(mó)擦力，流🌈體之(zhi)間的相互作(zuò)用稱爲♍流體(ti)内摩擦（即：牛(niu)頓内摩擦定(ding)律），而粘👣度是(shì)内摩擦的量(liang)度，是流體反(fan)抗變形的能(neng)力。
2.3雷諾數和(hé)流态[
根據測(ce)量管道内流(liu)體的流動狀(zhuang)态和流速的(de)分布情況，雷(lei)諾☂️數是表征(zhēng)流體流動特(tè)性的一個重(zhong)要參數。雷諾(nuò)數表征了流(liu)體流動時慣(guan)性力和粘性(xing)力的無綱量(liang)參數，其比值(zhí)如下式給出(chu)[1]
Re=VD/γ（管道爲圓管(guan)時）
式中：V—流動(dòng)橫截面的平(píng)均流速，單位(wèi)：米/秒（m/s）。
D—流動的(de)特性長度爲(wèi)管道直徑，單(dan)位：米（m）。
γ—流體的(de)運動粘度，單(dān)位：平方米/秒(miao)（m2/s）。
對于流動介(jie)質的斷面爲(wèi)圓管時，有一(yī)個共同的臨(lín)🔞界🏃‍♀️雷諾數🐪Rec，一(yī)般情況下，Rec=2300。
當(dang)Re＜Rec時，管道内流(liú)體爲層流（層(ceng)流是流體流(liu)動時，如果流(liu)體質💛點的軌(guǐ)迹随初始空(kong)間坐标x、y、z和時(shi)間t而變，則❤️是(shi)有👣規則的光(guang)🤟滑曲線，最⭐簡(jian)單的情形是(shì)直線），如圖2（a）所(suo)示。

根據以上(shang)各種參數的(de)分析，最終設(shè)計出探頭部(bù)件，如圖💁3所示(shi)。

3實踐當中遇(yu)到的實際難(nan)題
根據中華(hua)人民共和國(guó)機械行業标(biāo)準：JB/T9249-2015《渦街流量(liàng)計🐪》進📧行插入(rù)式渦街流量(liàng)計的研制與(yǔ)設計。在試驗(yan)過程中，因爲(wèi)🎯理論🈲研究不(bu)充分，再加上(shàng)經驗不足，采(cǎi)用插入深度(dù)是按照以往(wang)其它産品（插(cha)入💁式電磁流(liú)量計）的經驗(yàn)，以插入深🔞度(dù)爲現場管道(dao)内徑的12.5%進行(hang)試驗，其對介(jiè)質流量的檢(jiǎn)測值與同種(zhong)規格管道法(fa)蘭🏃🏻式結構的(de)渦街流量計(ji)進行比🌐較，偏(piān)差值較大、儀(yí)表準确度無(wú)👈法滿足設計(ji)要求。試驗安(an)裝位置和安(an)裝方法如圖(tú)4所示。

插入式(shi)渦街流量計(jì)插入深度爲(wei)現場管道内(nei)徑的12.5%時，試驗(yan)數據如下（以(yǐ)DN200爲例）：

插入式(shì)渦街流量計(jì)标校原始記(ji)錄，流量範圍(wei)：（90～400）m3/h；标定介質：水(shuǐ)；标定溫度：20℃；标(biao)定壓力：1.0Mpa。
标定(ding)結論[3]：最大儀(yi)表系數：2.45N/L；最小(xiao)儀表系數：1.743N/L；最(zui)終儀表系數(shù)🈲：2.0965N/L；線性誤差：16.86%；重(zhong)複性誤差：0.20%。
對(duì)以上的試驗(yàn)結果與相同(tong)規格、型号、量(liàng)程的法蘭式(shi)渦街🥰流量計(ji)相對比，其精(jing)度無法相比(bi)。結論：插入深(shēn)度有問🧡題，或(huò)插入式渦街(jiē)流量計的采(cai)集信号的探(tan)頭結👅構有問(wen)題。
經過分析(xi)、研究，插入式(shi)渦街流量計(jì)的采集信号(hào)的🐆探頭結構(gòu)确定沒有問(wèn)題。
對插入式(shi)渦街流量計(ji)和插入式電(dian)磁流量計的(de)結構原理進(jin)⭕行分析，插入(rù)式電磁流量(liàng)計的信号采(cai)集點在标校(xiào)🏃‍♂️管道内12.5%爲宜(yi)，因它屬電磁(ci)類流量計，而(er)渦街流量計(ji)是根據“卡門(men)渦街”原理進(jìn)行測量管道(dào)内流量，根據(ju)❗标校管道内(nèi)層流和🙇🏻湍流(liu)的分析，以及(jí)插👌入式渦街(jiē)流量計獨特(te)的🧑🏾‍🤝‍🧑🏼探頭結構(gou)形🏃‍♀️式，确定插(chā)入✍️式渦街流(liú)量計的插入(ru)深度爲标校(xiào)管道内50%，試驗(yàn)安裝位置和(he)✊安裝方法如(rú)圖5所示。

插入(ru)式渦街流量(liang)計插入深度(dù)爲現場管道(dao)内徑的🚩50%時，試(shi)驗✂️數據如下(xia)（以DN200爲例）：
插入(ru)式渦街流量(liàng)計标校原始(shi)記錄，流量範(fan)圍：（90～400）m3/h；标定介質(zhi)：水；标🔞定溫度(du)：20℃；标定壓力：1.0MPa。
檢(jian)定結論[3]：最大(dà)儀表系數：0.144N/L；最(zui)小儀表系數(shu)：0.143N/L；最終儀表☀️系(xi)數🐆：0.143N/L；線性誤☀️差(cha)：0.23%；重複性誤差(chà)：0.20%；儀表精度：0.31%。

4結(jié)論
一種插入(rù)式渦街流量(liàng)計在實際應(ying)用過程中，經(jing)過該儀表特(te)殊結構分析(xi)和根據流體(ti)力學的特性(xìng)，對探頭進行(hang)優化設計✉️，以(yi)及插入深度(dù)的确定，确保(bao)提🔞高其在現(xiàn)場運行過程(cheng)中的穩定性(xìng)、精度等級和(hé)抗幹擾能力(lì)，充分發揮插(cha)入式渦街流(liu)量計自有優(you)勢，對該産品(pin)質量的提升(shēng)以及可操作(zuo)性都具有實(shí)質性推動作(zuò)用，同✊時配合(he)輔助工具還(hái)可實現現😍場(chang)不停産安裝(zhuāng)或更換，彌補(bu)了法蘭式渦(wō)街流量計體(ti)積大、整體重(zhòng)量過大、安裝(zhuāng)不便等現象(xiàng)，爲用戶提供(gòng)了方便，特别(bié)适用于大管(guan)道介質的測(cè)量，其性價比(bǐ)高、适用廣泛(fan)。

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