摘要：描述插入式渦街流量計的工作原理，根據(jù)流體力學(xué)中zhuming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，當(dāng)配合輔助工具（公司專利產(chǎn)品：開孔器和推進、啟拔器）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。

　　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，配合自主研發(fā)的專用配套工具（公司專利產(chǎn)品：開孔器和推進、啟拔器），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)品造價低廉、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(shè)計出非常佳的探頭形狀、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，從而非常大限度地克服渦街流量計存在的固有自振蕩頻率對信號的影響，其準確度等級能夠達到±1%FS以上，本文主要通過優(yōu)化設(shè)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(chǔ)是流體力學(xué)中zhuming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(dāng)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(dāng)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(shè)計

　　根據(jù)流體力學(xué)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非?？?，越靠近岸邊的水流得越慢。同樣，當(dāng)流體在管道中流動時，管道中心的流速非?？欤娇拷鼙谔幍牧魉僭铰?，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：

　　Re=VD/（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）。

　　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(dāng)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，非常簡單的情形是直線），如圖2（a）所示。

　　當(dāng)Re＞Rec時，管道內(nèi)流體為湍流（湍流是流體的不規(guī)則運動，流場中各種量隨時間和空間坐標發(fā)生紊亂地變化），如圖2（b）所示。

　　根據(jù)以上各種參數(shù)的分析，非常終設(shè)計出探頭部件，如圖3所示。

　　3實踐當(dāng)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(shè)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(shè)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：非常大儀表系數(shù)：2.45N/L；非常小儀表系數(shù)：1.743N/L；非常終儀表系數(shù)：2.0965N/L；線性誤差：16.86%；重復(fù)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，其準確度無法相比。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：非常大儀表系數(shù)：0.144N/L；非常小儀表系數(shù)：0.143N/L；非常終儀表系數(shù)：0.143N/L；線性誤差：0.23%；重復(fù)性誤差：0.20%；儀表精度：0.31%。

　　4結(jié)論

　　本文提出了一種插入式渦街流量計在實際應(yīng)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(xué)的特性，對探頭進行優(yōu)化設(shè)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、準確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（公司專利產(chǎn)品：開孔器和推進、啟拔器）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。