摘要：描述(shu)插入式渦街(jie)流量計 的工(gong)作原理，根據(ju)流體力學中(zhōng)著名的“卡門(mén)渦街”原理進(jìn)🎯行流量測量(liàng)，同時根據被(bei)測介質流速(sù)分布情況，簡(jiǎn)述渦旋發生(shēng)體（非線性三(san)角柱形體）以(yi)及探頭👉的結(jié)構形式；經試(shi)驗論證了插(cha)入式渦街流(liu)量計在被測(cè)管道内正确(què)的插入深度(dù)（主要是渦💞旋(xuan)發生體和并(bìng)聯方式的四(si)片壓電晶體(tǐ)與被測管道(dao)的相對位置(zhi)），從而确🌈定安(an)裝現場的通(tōng)用原則和規(gui)範㊙️，彌補了法(fa)蘭式渦街流(liu)🌂量計的體積(ji)大、整體重量(liang)過大、安裝不(bú)便等不足現(xiàn)象，具有很高(gao)的性價比。
0引(yin)言
渦街流量(liang)計 均以管道(dào)法蘭式結構(gòu)形式在用戶(hu)中廣泛使用(yòng)，但其相對價(jia)格較高，且隻(zhī)有在現場管(guan)線停産檢修(xiū)時才能進行(háng)⛹🏻‍♀️安裝、維護。針(zhen)對此種情況(kuang)，研制了插入(rù)式渦街量🙇🏻計(ji)，因其📞特殊的(de)結構形式，可(ke)實現現場管(guǎn)道在不停産(chan)🛀🏻的狀态下進(jin)行安裝或更(gèng)換插入式渦(wo)街🐇流量計，該(gāi)産品造價低(dī)、抗振性強、無(wú)零點漂移、可(ke)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(xi)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(tǐ)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(jí)插入式渦街(jie)流⭐量計插入(ru)管道的深度(du)，普遍适用于(yu)大口徑工業(yè)管道安裝特(tè)點。采用先進(jin)的加工中心(xin)進行生産加(jiā)工⭐各個零部(bù)件，确保各個(ge)零部件的同(tóng)軸度和表面(miàn)粗糙度等加(jiā)工精度，再配(pei)合熱處理工(gōng)藝，從而克服(fu)渦街流量計(ji)存在的固有(you)自振蕩頻率(lǜ)對信号的影(yǐng)響，其精度等(deng)級能夠達到(dào)±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(du)的正确選擇(zé)。
1測量原理
插(cha)入式渦街流(liu)量計實現流(liú)量測量的理(lǐ)論基礎是流(liu)體力學中著(zhe)名的“卡門渦(wo)街”原理，在流(liu)動的流體中(zhong)裝置一個非(fēi)🏃‍♀️線性三角柱(zhù)形體，即渦旋(xuan)發生體，如圖(tu)1所示[1]。當流體(tǐ)沿渦旋發生(shēng)體繞流時，會(huì)在渦旋發生(sheng)體下遊産生(sheng)兩列不對稱(chēng)，但有規律交(jiao)替地分離😄釋(shì)放出一系列(lie)漩渦束，隻有(you)當兩渦漩列(liè)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(man)足h/L=0.281時，所産生(shēng)的渦街才是(shì)穩定的[2]。
按國(guo)際标準化組(zu)織IS07145（在環形截(jie)面封閉管道(dào)中的流體流(liú)量測❓定——在截(jié)面一點的速(su)度測量法），采(cai)用埋入❤️壓電(dian)晶體✍️的渦街(jie)測速探頭，插(cha)入大口徑工(gōng)業管道内，将(jiang)卡門旋渦頻(pin)率轉換爲與(yu)流量成正比(bi)的标準信号(hào)：（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(yǐ)下幾個方面(mian)進行探讨❌與(yǔ)研究：
2.1流體介(jiè)質的密度
流(liú)體質量不随(sui)外界條件變(biàn)化而變化，但(dàn)流體體積👉與(yu)溫度和壓力(lì)密切相關。也(yě)就是，流體密(mi)度是溫度和(hé)壓力的函數(shu)📱。
2.2流體介質的(de)粘度
先觀察(chá)河中水流動(dòng)的現象，可以(yǐ)看到河中央(yang)的水流速最(zui)快，越靠近岸(an)邊的水流得(dé)越慢。同樣，當(dāng)流體在管道(dao)中流動時，管(guan)道中心的流(liú)速最快，越靠(kào)近管壁處的(de)流速越慢，這(zhe)是🌂流體流動(dòng)時，由于流體(ti)介質的粘度(dù)和🌈在管道内(nèi)🌈部産生摩擦(cā)的緣故。

由于(yú)流體介質的(de)密度和粘度(du)的關系，一切(qie)流體介質在(zài)流動時内部(bu)各個層面的(de)速度是不同(tóng)的。在相鄰層(ceng)的接觸面🤟上(shang)存在着一對(duì)等值反向的(de)力，速度較快(kuai)的流層帶動(dong)流層速度較(jiao)慢的流📧層，使(shǐ)之加快速度(du)；速度較慢的(de)流層阻滞速(su)度較快的流(liu)層使之減速(su)，這種阻滞力(li)稱之爲内摩(mo)擦力，流體之(zhi)間的相🛀互作(zuo)用稱爲流體(ti)内摩擦（即：牛(niú)頓内摩擦定(ding)律），而粘度是(shì)内摩擦的量(liang)度，是流體反(fǎn)抗變形的能(neng)力。
2.3雷諾數和(hé)流态[
根據測(cè)量管道内流(liú)體的流動狀(zhuàng)态和流速的(de)分布情況，雷(léi)諾🤞數是表征(zhēng)流體流動特(te)性的一個重(zhong)要參數。雷諾(nuo)數🔅表征了流(liu)體流動時慣(guàn)性力和粘性(xìng)力的無綱量(liàng)參數，其😄比值(zhi)如下式給出(chū)[1]
Re=VD/γ（管道爲圓管(guǎn)時）
式中：V—流動(dong)橫截面的平(píng)均流速，單位(wei)：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(dan)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(liu)體爲層流（層(ceng)流是流體流(liú)動時，如果流(liú)😘體質點的軌(gui)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(guāng)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(bu)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(guo)機械行業标(biao)準：JB/T9249-2015《渦街流量(liang)計🔞》進行插入(rù)式渦街流量(liàng)計的研制與(yǔ)設計。在試驗(yàn)過程中👄，因爲(wei)理論㊙️研究不(bú)充分，再加上(shang)經驗不足，采(cǎi)用插入深度(dù)是按照以往(wǎng)其它産品（插(cha)入式電磁流(liu)量計）的經驗(yan)，以插入深度(du)爲現場🏒管道(dào)内徑的12.5%進行(háng)試🚶‍♀️驗，其對介(jie)質流量的檢(jian)測值與同種(zhǒng)規♉格管道法(fǎ)蘭式結構的(de)渦街流量計(jì)進行比較，偏(pian)差值較大👉、儀(yí)表準确度無(wú)法滿足設計(jì)要求。試驗安(an)裝位置和安(ān)裝方法如圖(tu)4所示。

插入式(shì)渦街流量計(jì)插入深度爲(wei)現場管道内(nèi)徑的12.5%時，試驗(yan)數據🙇‍♀️如下（以(yi)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(dìng)結論[3]：最大儀(yi)表系數：2.45N/L；最小(xiao)儀表系數：1.743N/L；最(zuì)終儀表📐系數(shù)：2.0965N/L；線性誤💃🏻差：16.86%；重(zhòng)複性誤差：0.20%。
對(dui)以上的試驗(yàn)結果與相同(tong)規格、型号、量(liàng)程的法蘭式(shì)渦街📧流量計(ji)相對比，其精(jīng)度無法相比(bi)。結論：插入深(shēn)度有問題，或(huo)插入式渦街(jiē)流量計的采(cǎi)集信号的探(tan)頭結構有問(wèn)題。
經過分析(xī)、研究，插入式(shì)渦街流量計(ji)的采集信号(hào)的探頭結構(gòu)确💃定沒有問(wèn)題。
對插入式(shì)渦街流量計(ji)和插入式電(diàn)磁流量計的(de)結構原🍓理💁進(jìn)行分析，插入(ru)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(jin)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(ji)插入式渦街(jiē)流💔量計獨特(tè)的探頭結構(gou)形式，确定插(chā)入⭐式渦街流(liu)量計的插入(rù)深度爲标校(xiao)管道内50%，試🌈驗(yàn)安裝位置和(he)安裝方法如(ru)圖5所示。

插入(rù)式渦街流量(liang)計插入深度(dù)爲現場管道(dào)内徑的50%時💔，試(shì)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(fàn)圍：（90～400）m3/h；标定介質(zhi)：水；标定溫度(dù)：20℃；标定壓力：1.0MPa。
檢(jiǎn)定結論[3]：最大(da)儀表系數：0.144N/L；最(zui)小儀表系數(shu)：0.143N/L；最終儀表🔴系(xì)數：0.143N/L；線🐇性誤👉差(chà)：0.23%；重複性誤差(chà)：0.20%；儀表精度：0.31%。

4結(jié)論
一種插入(ru)式渦街流量(liang)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(tǐ)力學的特性(xing)，對❗探頭進行(háng)優化設計，以(yǐ)及插入深度(du)的确定，确保(bao)提高其在現(xian)場運行過程(cheng)中的穩定性(xing)、精度等級和(he)抗幹擾能力(lì)，充分發揮插(cha)入式渦🔴街流(liú)量計自有優(you)勢👌，對該産品(pǐn)質量的提升(sheng)以及可操作(zuò)性都具有實(shí)質💘性推動作(zuo)用，同時配合(hé)輔助工具還(hái)可實現現場(chǎng)不停産安裝(zhuāng)或更換，彌補(bǔ)了法蘭式渦(wō)街流量計體(tǐ)積大、整體重(zhong)量過大、安裝(zhuāng)不便等現象(xiang)，爲用戶提供(gòng)了方便，特别(bie)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼适用于大管(guan)道介質的測(cè)量，其性價比(bi)高、适用廣泛(fan)。

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