摘(zhai)要：描述(shù)插入式(shì)渦街流(liu)量計 的(de)工作原(yuán)理，根據(ju)流體力(li)學中著(zhe)名的“卡(ka)門渦街(jiē)”原理進(jìn)行流量(liàng)測量，同(tóng)時根據(ju)被測介(jiè)質流速(su)分布情(qing)況，簡🈚述(shu)渦旋發(fa)生體🤟（非(fei)線性三(san)角柱形(xíng)體）以及(ji)探頭的(de)結構形(xíng)式；經試(shi)驗論證(zheng)了插🌈入(rù)式渦街(jiē)流量計(ji)在被測(ce)管道内(nei)正确的(de)插入深(shēn)度（主要(yao)是渦旋(xuán)發生體(ti)和并聯(lián)方式♊的(de)四片壓(yā)電✏️晶體(tǐ)與被測(ce)管道的(de)相對位(wèi)置），從而(er)确🌈定安(ān)裝現場(chang)的通用(yong)原則和(he)規範，彌(mí)補了法(fǎ)蘭式⛷️渦(wo)街流量(liang)計的體(ti)積大、整(zheng)🌈體重量(liang)過大、安(ān)裝不便(bian)等不足(zú)現象，具(ju)有很高(gāo)的性價(jia)💰比。
0引言(yán)
渦街流(liú)量計 均(jun1)以管道(dào)法蘭式(shì)結構形(xíng)式在用(yòng)戶中廣(guang)泛使用(yong)，但其相(xiang)🌈對♊價格(ge)較高，且(qiě)隻有在(zài)現場管(guǎn)線停産(chan)檢修時(shí)才能進(jìn)行安裝(zhuang)、維護。針(zhēn)對🔞此種(zhǒng)情況，研(yán)制了插(chā)入式渦(wō)街量計(ji)，因其特(te)殊的☁️結(jie)構形式(shi)，可實現(xiàn)現場管(guan)道在不(bú)停産📞的(de)狀态下(xia)進行安(an)裝或更(gèng)換插入(ru)式渦街(jiē)✊流量計(jì)，該産品(pin)造價低(dī)、抗❗振性(xìng)強、無零(ling)💁點漂移(yi)、可靠性(xing)高。通過(guo)長時間(jiān)對插入(ru)式渦街(jiē)流量計(ji)進行大(dà)量波形(xíng)分析和(he)頻譜💜分(fèn)析，設計(jì)出的探(tàn)頭形狀(zhuàng)、壁厚、高(gao)度、探頭(tóu)杆直徑(jìng)、發生👣體(ti)的幾何(he)尺寸，和(hé)與👄之相(xiàng)配套采(cǎi)用并聯(lian)方式的(de)四片✌️壓(ya)電晶體(ti)及插入(ru)式渦✌️街(jiē)流量計(jì)插入管(guan)道的深(shen)度，普遍(biàn)适用于(yu)大口徑(jing)工業管(guǎn)道安裝(zhuāng)特點。采(cǎi)用先進(jìn)的加工(gong)中心進(jin)行生産(chǎn)加工☎️各(gè)個⚽零部(bu)件，确保(bǎo)各個零(ling)部件的(de)同軸度(du)和表面(mian)粗糙度(dù)等加🔴工(gōng)精度，再(zài)配合熱(re)處理工(gong)藝，從而(er)克服渦(wō)🐅街流量(liang)計存在(zài)🔴的固有(yǒu)自振蕩(dang)頻率對(duì)信号的(de)影🚩響，其(qí)精度等(děng)級能夠(gou)達到±2.5%FS以(yi)上，主要(yào)通過優(yōu)化設計(ji)和試驗(yan)，确定其(qi)插入深(shēn)度的♈正(zheng)确選擇(zé)。
1測量原(yuán)理
插入(rù)式渦街(jie)流量計(jì)實現流(liu)量測量(liang)的理論(lun)基礎是(shi)流體力(lì)學中著(zhe)名的“卡(ka)門渦街(jie)”原理，在(zài)流動的(de)流體中(zhōng)裝🈲置一(yi)🤩個非⭕線(xiàn)性🏃🏻三角(jiao)柱形體(ti)，即渦旋(xuán)發生體(tǐ)，如圖1所(suǒ)示[1]。當流(liú)體沿渦(wō)旋💯發生(sheng)體繞流(liú)時⛷️，會在(zai)渦旋發(fā)生體下(xià)遊産生(sheng)兩列不(bú)對稱，但(dan)有規律(lü)交🈲替地(di)分離釋(shi)放出一(yi)系列漩(xuan)渦束，隻(zhi)有當兩(liang)渦漩列(liè)之間的(de)距💃離h和(he)同列的(de)兩渦漩(xuán)之間的(de)距離L之(zhi)比滿足(zú)h/L=0.281時，所産(chan)生的渦(wō)街才是(shì)穩💃🏻定的(de)[2]。
按國際(jì)标準化(hua)組織IS07145（在(zài)環形截(jie)面封閉(bì)管道中(zhōng)的流體(ti)流量🔱測(cè)定——在截(jie)面一點(dian)的速度(dù)測量法(fǎ)），采用埋(mai)入🏃‍♀️壓電(diàn)晶體的(de)渦街測(cè)速探頭(tou)，插入大(da)口徑工(gōng)業管道(dao)内，将卡(ka)門旋渦(wo)頻率轉(zhuan)換爲與(yu)流量成(cheng)正比的(de)标準信(xin)号：（4～20）mADC。
2插入(rù)式渦街(jie)流量計(jì)優化設(shè)計
根據(ju)流體力(lì)學的相(xiang)關知識(shí)，從以下(xia)幾個方(fang)面進行(háng)探讨與(yǔ)研究：
2.1流(liú)體介質(zhì)的密度(du)
流體質(zhi)量不随(suí)外界條(tiao)件變化(huà)而變化(huà)，但流體(ti)體積與(yǔ)溫度♉和(he)壓力密(mì)切相關(guan)。也就是(shi)，流體密(mi)度是溫(wen)度和壓(yā)力的函(hán)數㊙️。
2.2流體(ti)介質的(de)粘度
先(xian)觀察河(he)中水流(liu)動的現(xian)象，可以(yǐ)看到河(he)中央的(de)水流速(su)😘最快💛，越(yue)靠近岸(àn)邊的水(shuǐ)流得越(yuè)慢。同樣(yàng)，當流體(ti)在管道(dao)中流動(dong)時，管道(dào)中心的(de)流速最(zui)快，越靠(kào)近管壁(bì)處的🌈流(liu)速越慢(màn)，這是🏃‍♀️流(liu)體流動(dòng)時，由于(yu)流體介(jiè)質的粘(zhan)度和在(zài)管道内(nèi)部産生(shēng)摩擦的(de)緣故🈲。

由(you)于流體(ti)介質的(de)密度和(he)粘度的(de)關系，一(yi)切流體(ti)介質在(zai)流動時(shi)内部各(gè)個層面(miàn)的速度(du)是不同(tong)的。在相(xiang)鄰層的(de)接💞觸面(miàn)上存在(zài)着🤟一對(dui)等值反(fan)向的力(lì)，速度較(jiao)快的流(liu)層帶動(dong)流層速(sù)度較慢(man)的流🌈層(céng)，使之加(jia)快😄速度(du)；速度🧑🏽‍🤝‍🧑🏻較(jiào)慢的流(liu)層阻滞(zhì)速度較(jiào)快的流(liu)層使之(zhi)☔減速，這(zhe)種阻滞(zhì)力稱之(zhī)爲内摩(mó)擦力，流(liú)體之間(jian)的相㊙️互(hù)作用稱(cheng)爲流體(tǐ)内摩擦(ca)（即：牛頓(dun)内摩擦(cā)定律），而(ér)粘度是(shi)内摩擦(ca)的量度(du)，是流體(tǐ)反抗變(biàn)形的能(neng)力。
2.3雷諾(nuò)數和流(liú)态[
根據(jù)測量管(guǎn)道内流(liú)體的流(liú)動狀态(tai)和流速(sù)的分布(bù)情況，雷(lei)💜諾數是(shi)表征流(liú)體流動(dòng)特性的(de)一個重(zhong)要參💘數(shù)。雷諾數(shu)表征了(le)流體流(liú)動時慣(guan)性力和(he)粘性力(lì)的無綱(gang)量參數(shù)，其比值(zhí)如🌈下式(shi)給出[1]
Re=VD/γ（管(guǎn)道爲圓(yuan)管時）
式(shi)中：V—流動(dòng)橫截面(miàn)的平均(jun)流速，單(dān)位：米/秒(miǎo)（m/s）。
D—流動的(de)特性長(zhǎng)度爲管(guan)道直徑(jing)，單位：米(mǐ)（m）。
γ—流體的(de)運動粘(zhan)度，單位(wei)：平方米(mǐ)/秒（m2/s）。
對于(yú)流動介(jie)質的斷(duàn)面爲圓(yuán)管時，有(yǒu)一個共(gong)同的臨(lin)界雷🈲諾(nuo)㊙️數Rec，一般(bān)情況下(xia)，Rec=2300。
當Re＜Rec時，管(guan)道内流(liú)體爲層(ceng)流（層流(liu)是流體(tǐ)流動時(shi)，如果流(liu)體🐆質點(dian)的軌迹(jì)随初始(shi)空間坐(zuo)标x、y、z和時(shí)間t而變(biàn)，則是有(you)規則的(de)光滑曲(qu)⛷️線，最簡(jian)單的情(qíng)形是直(zhi)線），如圖(tu)2（a）所示。

根(gēn)據以上(shang)各種參(can)數的分(fen)析，最終(zhōng)設計出(chu)探頭部(bù)件🌈，如圖(tu)3所🍓示。

3實(shí)踐當中(zhōng)遇到的(de)實際難(nan)題
根據(jù)中華人(rén)民共和(he)國機械(xie)行業标(biao)準：JB/T9249-2015《渦街(jie)流量計(ji)》進行插(cha)入✍️式渦(wō)街流量(liàng)計的研(yan)制與設(she)計。在試(shi)驗過程(chéng)中😘，因爲(wei)理論研(yán)究不充(chōng)分，再加(jiā)上經驗(yan)不足，采(cǎi)用插入(rù)深度是(shì)按🔴照以(yi)往🌏其它(tā)産♌品（插(chā)入式電(dian)磁流量(liang)計）的經(jīng)驗，以插(chā)入深度(du)爲現場(chang)管道内(nei)徑的12.5%進(jìn)行試驗(yan)，其對介(jiè)質流量(liàng)的檢測(cè)值與同(tong)種規格(ge)管道法(fǎ)蘭式結(jie)構的渦(wo)街流量(liang)計進行(hang)比較，偏(pian)差值較(jiào)大、儀表(biao)🛀準确度(dù)無法滿(man)足設計(ji)要求。試(shì)驗安💯裝(zhuang)位置和(hé)安裝方(fāng)法如圖(tu)4所示。

插(cha)入式渦(wo)街流量(liàng)計插入(ru)深度爲(wei)現場管(guǎn)道内徑(jing)的㊙️12.5%時，試(shì)驗數據(jù)如下（以(yi)DN200爲例）：

插(chā)入式渦(wō)街流量(liang)計标校(xiao)原始記(ji)錄，流量(liàng)範圍：（90～400）m3/h；标(biao)定介質(zhi)：水；标定(ding)溫度：20℃；标(biao)定壓力(li)：1.0Mpa。
标定結(jié)論[3]：最大(da)儀表系(xi)數：2.45N/L；最小(xiǎo)儀表系(xì)數：1.743N/L；最終(zhong)儀表系(xì)數：2.0965N/L；線性(xing)🈲誤差：16.86%；重(zhòng)複性誤(wù)差：0.20%。
對以(yi)上的試(shi)驗結果(guo)與相同(tong)規格、型(xíng)号、量程(chéng)的法蘭(lan)💃式㊙️渦街(jiē)流♋量🐕計(jì)相對比(bǐ)，其精度(dù)無法相(xiàng)比。結論(lun)：插入深(shen)度有問(wen)題，或插(chā)入❄️式渦(wo)街流量(liàng)計的采(cai)集信号(hào)的探頭(tóu)結🧡構有(you)問題。
經(jīng)過分析(xī)、研究，插(chā)入式渦(wō)街流量(liàng)計的采(cai)集信号(hao)的探頭(tou)結構确(què)定沒有(yǒu)問題。
對(dui)插入式(shì)渦街流(liú)量計和(hé)插入式(shì)電磁流(liú)量計的(de)結構原(yuan)理🌈進行(hang)分析，插(chā)入式電(diàn)磁流量(liang)計的信(xìn)号采集(ji)點在标(biāo)校管道(dào)内12.5%爲宜(yí)，因它屬(shu)電磁類(lèi)流量計(ji)，而渦街(jie)流量🚩計(ji)是根據(ju)“卡門渦(wo)街”原理(li)進行測(cè)量管道(dào)内♈流量(liang)，根據标(biao)校管道(dào)内層流(liú)和湍流(liu)的分析(xī)，以及插(cha)㊙️入式渦(wo)街流量(liàng)計獨特(tè)的探頭(tou)結構形(xíng)式，确定(ding)插入🔱式(shi)渦街流(liú)量計的(de)插入深(shen)度爲标(biāo)校管道(dao)内50%，試驗(yan)安裝位(wei)置和安(an)裝方法(fǎ)如圖5所(suo)示。

插入(rù)式渦街(jie)流量計(jì)插入深(shēn)度爲現(xian)場管道(dào)内徑的(de)50%時，試驗(yàn)❓數據如(ru)下（以DN200爲(wei)例）：
插入(ru)式渦街(jie)流量計(ji)标校原(yuan)始記錄(lù)，流量範(fan)圍：（90～400）m3/h；标定(ding)介質：水(shuǐ)；标定溫(wēn)度：20℃；标定(ding)壓力：1.0MPa。
檢(jiǎn)定結論(lun)[3]：最大儀(yi)表系數(shù)：0.144N/L；最小儀(yi)表系數(shù)：0.143N/L；最終儀(yi)表系數(shù)⛱️：0.143N/L；線性誤(wu)差：0.23%；重複(fú)性誤差(chà)：0.20%；儀表精(jīng)度：0.31%。

4結論(lùn)
一種插(chā)入式渦(wo)街流量(liang)計在實(shi)際應用(yong)過程中(zhōng)，經過該(gai)儀🔴表特(te)殊結構(gòu)分析和(hé)根據流(liú)體力學(xué)的特性(xing)，對探頭(tou)進行優(yōu)化設計(ji)，以及插(cha)入深度(dù)的确定(dìng)，确保提(ti)高其在(zai)現場運(yùn)行過程(cheng)中的穩(wen)📧定性、精(jīng)🐅度等級(jí)和抗幹(gan)擾能力(li)，充分發(fa)揮插入(rù)式渦街(jie)流量計(ji)自有優(yōu)勢，對該(gai)産品質(zhì)量的提(ti)升以及(jí)可操作(zuò)性都具(jù)有實質(zhì)性推動(dòng)作用，同(tóng)✍️時配合(he)輔助工(gōng)💛具還可(kě)實現現(xiàn)場不停(ting)産安裝(zhuāng)或更換(huàn)🌐，彌補了(le)㊙️法蘭式(shi)渦街流(liú)量計體(ti)積🐪大、整(zhěng)體重量(liang)過大、安(ān)🐅裝不便(biàn)等現象(xiang)，爲😍用戶(hù)提供了(le)方便，特(te)别适用(yòng)于大管(guǎn)道介質(zhi)的測量(liang)，其性價(jia)💜比高、适(shi)用廣泛(fàn)。

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