摘(zhai)要：描述(shu)插入式(shì)渦街流(liú)量計 的(de)工作原(yuan)理，根據(ju)流體力(lì)學中著(zhe)名的“卡(kǎ)門渦街(jie)”原理⛷️進(jìn)行流量(liàng)⛹🏻‍♀️測量，同(tong)時根據(ju)被測介(jie)質流速(sù)分布情(qing)況，簡述(shu)渦旋發(fa)生體（非(fēi)線性三(sān)角柱形(xíng)體）以及(ji)探頭的(de)結構形(xing)式；經試(shì)驗論證(zheng)了插入(rù)式渦街(jie)流量計(jì)在被測(cè)管道内(nei)正确的(de)插入深(shen)度（主要(yào)是渦旋(xuan)發生體(ti)⭕和并聯(lián)方式的(de)四片壓(ya)電晶體(tǐ)與被測(ce)💋管道的(de)相對位(wèi)置），從而(ér)确定安(ān)裝現場(chǎng)的通😘用(yong)原則和(he)規範，彌(mi)補⭐了法(fǎ)蘭式渦(wō)街流量(liàng)計的體(ti)積大、整(zhěng)體重量(liàng)過大、安(an)裝不便(bian)等不足(zú)現象🐅，具(jù)有很高(gao)的性價(jia)💃🏻比。
0引言(yán)
渦街流(liu)量計 均(jun1)以管道(dao)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(gé)較高，且(qiě)隻有在(zai)現場管(guǎn)線停産(chǎn)檢修時(shi)👌才能進(jìn)行安裝(zhuang)、維護㊙️。針(zhen)對此種(zhǒng)情況，研(yán)制了插(chā)入式渦(wo)街量計(jì)，因其特(te)殊的結(jie)構形式(shì)，可實現(xiàn)現場管(guǎn)道在不(bu)停産的(de)狀态下(xià)進行安(an)裝或更(gèng)換插入(ru)式渦街(jie)流量計(jì)，該産品(pin)造價低(dī)、抗振性(xing)強、無零(ling)點漂移(yi)、可靠🍉性(xìng)高。通過(guo)長時間(jiān)對插入(rù)式渦㊙️街(jiē)流量計(ji)進行大(da)量波形(xing)分析和(he)頻譜分(fèn)析，設✊計(ji)出的探(tàn)🛀頭形狀(zhuàng)、壁厚、高(gao)度、探頭(tou)杆直徑(jìng)、發生體(ti)的幾何(hé)尺寸，和(hé)與之相(xiàng)配套采(cai)用并聯(lian)方式的(de)四片壓(yā)電晶體(tǐ)及插入(rù)式渦街(jie)流量計(jì)插入管(guǎn)道的深(shēn)度，普遍(biàn)适用于(yú)大口徑(jing)工業管(guan)⁉️道安裝(zhuang)特點。采(cǎi)用先進(jìn)的加工(gōng)中心進(jin)行生産(chǎn)加工㊙️各(gè)個零部(bù)件，确保(bao)各個零(ling)部件的(de)同軸度(du)和表面(mian)粗☀️糙度(du)等加✏️工(gong)精度，再(zài)配合熱(rè)處理工(gōng)藝，從而(er)克服渦(wo)街流量(liang)計存在(zai)📞的固有(yǒu)自振蕩(dàng)頻率對(dui)信号的(de)影響，其(qi)精度等(děng)級能夠(gòu)達到±2.5%FS以(yǐ)上，主🚩要(yào)通過⭕優(you)化設計(jì)和試驗(yan)，确定其(qí)插入深(shēn)度的正(zhèng)确選擇(ze)。
1測量原(yuán)理
插入(rù)式渦街(jie)流量計(ji)實現流(liú)量測量(liàng)的理論(lun)基礎是(shì)流體力(lì)🧡學中⭐著(zhe)名的“卡(kǎ)門渦街(jie)”原理，在(zai)流動的(de)流體中(zhong)裝置一(yī)個非線(xian)性三角(jiao)♻️柱形體(tǐ)，即渦旋(xuan)發生體(ti)，如圖1所(suǒ)示[1]。當流(liu)體沿渦(wo)旋發生(shēng)體繞流(liú)時，會在(zài)渦旋發(fa)生體下(xia)遊産生(sheng)兩列不(bu)對稱，但(dàn)有規律(lǜ)交替地(di)分離釋(shì)放出一(yī)系列漩(xuán)渦束，隻(zhi)有當兩(liǎng)渦漩列(lie)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(zu)h/L=0.281時🧑🏾‍🤝‍🧑🏼，所産(chǎn)生的渦(wō)街♊才是(shi)穩定的(de)[2]。
按國際(jì)标準化(hua)組織IS07145（在(zai)環形截(jié)面封閉(bi)管道中(zhōng)的流體(tǐ)流量測(ce)定——在截(jie)面一點(diǎn)的速度(dù)測量法(fa)），采用埋(mái)入壓電(diàn)晶體🔞的(de)渦🥰街測(ce)速探頭(tóu)，插入大(da)口徑工(gong)業管道(dao)内，将卡(ka)🐪門旋渦(wō)頻率轉(zhuan)換爲與(yǔ)流量成(cheng)正比的(de)标準信(xìn)号：（4～20）mADC。
2插入(ru)式渦街(jie)流量計(ji)優化設(shè)計
根據(jù)流體力(lì)學的相(xiang)關知識(shí)，從以下(xià)幾個方(fāng)面進行(háng)探讨與(yu)研🌈究：
2.1流(liú)體介質(zhi)的密度(dù)
流體質(zhi)量不随(suí)外界條(tiao)件變化(hua)而變化(hua)，但流體(tǐ)體積與(yu)溫度和(hé)壓👌力密(mi)切相關(guān)。也就是(shi)，流體密(mi)度是溫(wēn)度和壓(ya)力的函(hán)數。
2.2流體(ti)介質的(de)粘度
先(xian)觀察河(hé)中水流(liu)動的現(xiàn)象，可以(yi)看到河(hé)中央的(de)水流速(su)最快✌️，越(yuè)靠近岸(an)邊的水(shuǐ)流得越(yuè)慢。同樣(yang)，當流體(ti)在管道(dào)中流動(dòng)時，管道(dào)中心的(de)流速最(zuì)快，越靠(kào)近管壁(bi)處的流(liu)速越慢(man)，這是流(liu)體流動(dong)時，由于(yú)流體介(jiè)質的粘(zhan)度和☂️在(zai)管道内(nei)部産生(sheng)摩擦的(de)緣故。

由(yóu)于流體(tǐ)介質的(de)密度和(hé)粘度的(de)關系，一(yī)切流體(ti)介🙇‍♀️質在(zai)流😍動時(shí)内部各(ge)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(duì)等值反(fan)向的力(lì)，速度較(jiao)快的流(liu)層帶動(dòng)流層速(su)度較慢(màn)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(jiao)快的流(liu)層使之(zhī)💞減速，這(zhe)種阻滞(zhì)力稱之(zhī)爲内摩(mo)擦力，流(liú)體之間(jian)的相互(hù)作用稱(chēng)爲流體(tǐ)内摩擦(ca)（即：牛頓(dun)内摩擦(ca)定律），而(ér)粘度是(shi)内摩擦(cā)的量度(du)，是流體(tǐ)反抗變(bian)形的能(néng)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(tài)和流速(sù)的分布(bù)情🔞況，雷(léi)諾數是(shi)表征流(liú)體流動(dong)特性的(de)一個重(zhòng)要參📐數(shù)。雷諾數(shu)表征了(le)流體流(liu)動時慣(guàn)性力和(he)粘性力(lì)的無綱(gang)量🈲參數(shu)，其比值(zhi)如下式(shi)給出[1]
Re=VD/γ（管(guan)道爲圓(yuán)管時）
式(shì)中：V—流動(dòng)橫截面(mian)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(guǎn)道直徑(jìng)，單位：米(mǐ)（m）。
γ—流體的(de)運動粘(zhān)度，單位(wèi)：平方米(mi)/秒（m2/s）。
對于(yú)流動介(jie)質的斷(duàn)面爲圓(yuán)管時，有(you)一個共(gòng)同的臨(lín)🌈界雷諾(nuo)數Rec，一般(ban)情況下(xia)，Rec=2300。
當Re＜Rec時，管(guan)道内流(liú)體爲層(ceng)流（層流(liú)是流體(tǐ)流動時(shi)，如果流(liu)體質點(dian)的📧軌迹(ji)随初始(shǐ)空間坐(zuo)标x、y、z和時(shi)間t而變(biàn)，則是有(yǒu)規則的(de)光滑曲(qǔ)線，最簡(jiǎn)單的情(qíng)形是直(zhí)線），如圖(tú)2（a）所示。

根(gēn)據以上(shang)各種參(cān)數的分(fen)析，最終(zhong)設計出(chū)探頭部(bu)件，如圖(tú)🏃🏻‍♂️3所🚩示。

3實(shi)踐當中(zhōng)遇到的(de)實際難(nan)題
根據(ju)中華人(rén)民共和(he)國機械(xiè)行業标(biao)準：JB/T9249-2015《渦街(jiē)流量計(ji)》進行插(chā)入式渦(wo)街流量(liàng)計的研(yán)制與設(she)計。在試(shi)驗過程(cheng)中，因爲(wèi)理論研(yán)究不充(chōng)分，再加(jia)上經驗(yan)不足，采(cǎi)用插入(ru)深度是(shì)按照以(yi)往其它(ta)産品（插(cha)入🏃式電(diàn)磁流量(liang)🔞計）的經(jīng)驗，以插(chā)入深度(dù)爲現場(chang)管道内(nei)徑的12.5%進(jìn)行試🐪驗(yàn)，其對介(jie)質流量(liàng)的檢測(cè)值與同(tóng)種規🔅格(gé)管道法(fǎ)蘭式結(jié)構的渦(wo)街流量(liang)計進行(háng)比較，偏(piān)差值較(jiao)大、儀表(biao)準确度(du)無❗法滿(man)足設計(ji)要㊙️求。試(shì)驗安裝(zhuang)位置和(he)安裝方(fāng)法如圖(tú)4所示。

插(chā)入式渦(wo)街流量(liàng)計插入(rù)深度爲(wèi)現場管(guan)道内徑(jing)的12.5%時，試(shì)驗🏃‍♂️數㊙️據(ju)如下（以(yi)DN200爲例）：

插(cha)入式渦(wō)街流量(liang)計标校(xiào)原始記(ji)錄，流量(liang)範圍：（90～400）m3/h；标(biao)定介😘質(zhi)：水；标定(dìng)溫度：20℃；标(biāo)定壓力(lì)：1.0Mpa。
标定結(jie)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(xi)數：2.0965N/L；線性(xing)誤😍差：16.86%；重(zhong)複性誤(wu)差：0.20%。
對以(yǐ)上的試(shì)驗結果(guǒ)與相同(tong)規格、型(xing)号、量程(cheng)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(shēn)度有問(wen)題，或插(cha)入式渦(wō)街流量(liàng)計的采(cǎi)集信号(hào)的🔞探頭(tóu)結構有(yǒu)問題。
經(jing)過分析(xī)、研究，插(cha)入式渦(wō)街流量(liang)計的采(cai)集信号(hao)的探頭(tóu)結構确(que)🔞定沒有(yǒu)問題。
對(dui)插入式(shì)渦街流(liu)量計和(he)插入式(shi)電磁流(liu)量計的(de)結構原(yuán)理進💜行(hang)分析，插(chā)入式電(dian)磁流量(liang)計的信(xìn)号采集(ji)點在标(biao)校管道(dào)内12.5%爲宜(yi)，因🔴它屬(shu)電磁類(lei)流量計(ji)，而渦街(jie)流量計(jì)是根🌈據(jù)“卡門✔️渦(wō)街”原理(li)進行測(cè)量管道(dào)内流量(liang)，根據标(biao)校管道(dao)内層流(liu)和湍流(liu)的分析(xi)，以及插(cha)入式渦(wo)街流量(liàng)計獨特(te)的探頭(tóu)結構形(xíng)式，确定(dìng)插入式(shi)渦街流(liú)量計的(de)插入深(shen)度爲标(biao)校管道(dào)内50%，試驗(yàn)安裝位(wei)置和安(an)裝方法(fa)如圖5所(suo)示。

插入(ru)式渦街(jie)流量計(jì)插入深(shēn)度爲現(xian)場管道(dao)内徑的(de)50%時，試驗(yàn)數據如(ru)下（以DN200爲(wei)例）：
插入(rù)式渦街(jiē)流量計(jì)标校原(yuán)始記錄(lu)，流量範(fan)圍：（90～400）m3/h；标定(ding)介質：水(shui)🚶‍♀️；标定溫(wēn)度：20℃；标定(dìng)壓力：1.0MPa。
檢(jian)定結論(lùn)[3]：最大儀(yí)表系數(shu)：0.144N/L；最小儀(yí)表系數(shù)：0.143N/L；最終儀(yi)表系數(shu)：0.143N/L；線💔性😍誤(wù)差：0.23%；重複(fu)性誤差(cha)：0.20%；儀表精(jing)度：0.31%。

4結論(lun)
一種插(cha)入式渦(wo)街流量(liàng)計在實(shí)際應用(yòng)過程中(zhōng)，經過該(gāi)儀表特(tè)殊結構(gòu)分析和(hé)根據流(liú)體力學(xue)的特性(xing)，對探頭(tóu)進行優(yōu)化🌈設計(jì)，以及插(chā)入深度(dù)的确定(dìng)，确保提(tí)高其在(zài)現場運(yun)行過程(chéng)✨中的穩(wěn)定性、精(jīng)度等級(ji)和抗幹(gàn)擾能力(lì)，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(ji)可操作(zuò)性都具(jù)有實質(zhi)🌈性推動(dòng)作用🏒，同(tong)時配合(he)輔助工(gōng)具還可(ke)實現現(xiàn)☁️場不停(tíng)産安裝(zhuang)或更換(huàn)，彌補了(le)法蘭式(shì)渦街流(liu)量計體(ti)積大、整(zhěng)體重量(liang)過大、安(an)😄裝不便(biàn)等現象(xiang)，爲用⭐戶(hù)提供了(le)方便，特(te)别适用(yong)于大管(guǎn)道介質(zhi)的測量(liang)，其性價(jià)比高♋、适(shì)用廣泛(fan)。

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