摘要：描述(shù)插入式渦(wo)街流量計(ji) 的工作原(yuán)理，根據流(liu)體力學中(zhōng)著名的“卡(ka)門渦街”原(yuan)理進🈲行流(liu)量測量，同(tóng)時根據被(bèi)測介質流(liú)速分布情(qing)況，簡📱述渦(wō)旋發生體(ti)（非線性三(san)角柱形體(ti)）以及探頭(tou)的結構形(xing)式；經試驗(yàn)論證了插(cha)入式渦💃🏻街(jie)流量計在(zai)被測管道(dao)内正确的(de)插入深度(dù)（主要是渦(wo)旋發生體(ti)和并聯方(fāng)式👣的四片(piàn)壓電晶體(tǐ)與被測㊙️管(guǎn)道的相對(dui)位置），從而(ér)确💛定安裝(zhuāng)現場的通(tōng)用原則和(he)規範，彌補(bu)了法蘭式(shi)渦街流量(liang)計的體積(jī)大、整體重(zhòng)量過大、安(an)裝🌏不便等(děng)不足現象(xiàng)🌈，具有很高(gāo)的性價比(bi)。
0引言
渦街(jiē)流量計 均(jun1)以管道法(fa)蘭式結構(gòu)形式在用(yong)戶中廣泛(fàn)使用，但其(qí)相對價格(gé)較高，且隻(zhi)有在現場(chang)管線停産(chan)檢修時才(cai)能進行安(ān)裝、維護。針(zhen)對此種情(qing)況，研制了(le)插入式渦(wo)街量計，因(yin)其🥰特殊的(de)結構形式(shi)，可實現現(xian)場管道🌏在(zai)不停産的(de)狀态下進(jìn)行安裝或(huò)更換插入(rù)式渦街🐇流(liú)量計，該産(chǎn)品造價低(dī)、抗振性強(qiáng)、無零點漂(piao)移、可靠🚶‍♀️性(xìng)高。通過長(zhǎng)時間對插(cha)入式渦街(jiē)流量計進(jin)行🈲大量波(bō)形分析和(he)頻譜分析(xi)，設計出的(de)探頭形狀(zhuang)、壁厚、高度(dù)、探頭杆直(zhí)徑、發生體(ti)的幾何尺(chǐ)寸，和與之(zhi)相配套采(cai)用并聯方(fāng)式的四片(pian)壓電晶體(tǐ)及插入式(shì)渦街流量(liàng)計插入管(guan)道的🌏深度(dù)，普☂️遍适用(yòng)于大口徑(jìng)工業管✂️道(dao)安裝特點(dian)。采用先進(jìn)的加工中(zhong)心進行生(shēng)産加工🌂各(ge)個零部件(jian)，确保各個(gè)零部件的(de)同軸度和(he)表面粗糙(cāo)度等加工(gong)精度，再配(pei)合熱處理(lǐ)工藝，從而(er)克服渦街(jiē)流量計存(cún)在的固有(yǒu)自振蕩頻(pín)率對信号(hào)的影響，其(qí)精度等級(jí)能夠達到(dào)±2.5%FS以上，主要(yào)通過優化(huà)設計和試(shì)驗，确定其(qí)插入深度(du)的正确選(xuǎn)擇。
1測量原(yuan)理
插入式(shi)渦街流量(liang)計實現流(liú)量測量的(de)理論基礎(chu)是流體🧑🏾‍🤝‍🧑🏼力(lì)學😄中著名(ming)的“卡門渦(wō)街”原理，在(zài)流動的流(liú)體中裝置(zhi)一個非線(xian)性三角柱(zhu)形體，即渦(wō)旋發生體(ti)，如圖1所示(shi)[1]。當流體沿(yan)渦旋發生(shēng)體♈繞流時(shí)，會在渦旋(xuán)發生體下(xia)遊産生兩(liǎng)列不對稱(cheng)，但有規律(lü)交💃替地分(fen)離♉釋放出(chu)一系🧑🏽‍🤝‍🧑🏻列漩(xuan)渦束，隻有(you)當兩渦漩(xuan)列之間的(de)距📐離h和同(tong)列的兩渦(wo)漩之間的(de)距離L之比(bǐ)滿足h/L=0.281時，所(suǒ)産生的渦(wō)街才是穩(wěn)定的[2]。
按國(guo)際标準化(hua)組織IS07145（在環(huán)形截面封(fēng)閉管道中(zhong)的流體流(liú)🈲量測定——在(zai)截面一點(dian)的速度測(cè)量法），采用(yòng)埋入壓電(diàn)晶體的渦(wō)街測速探(tàn)頭，插入大(dà)口徑工業(ye)管道内，将(jiang)卡💯門旋渦(wō)頻率轉換(huan)爲與流量(liàng)成🏃🏻‍♂️正比的(de)标準信号(hào)：（4～20）mADC。
2插入式渦(wo)街流量計(jì)優化設計(jì)
根據流體(tǐ)力學的相(xiang)關知識，從(cong)以下幾個(ge)方面進行(hang)探讨與研(yan)究：
2.1流體介(jiè)質的密度(du)
流體質量(liàng)不随外界(jiè)條件變化(huà)而變化，但(dan)流體體積(ji)與⁉️溫度和(he)壓力密切(qiē)相關。也就(jiu)是，流體密(mi)度是溫度(dù)和壓力的(de)函數。
2.2流體(ti)介質的粘(zhān)度
先觀察(cha)河中水流(liu)動的現象(xiang)，可以看到(dao)河中央的(de)水🚶流速最(zui)快，越靠近(jìn)岸邊的水(shuǐ)流得越慢(màn)。同樣，當流(liú)體在管道(dào)中流動時(shí)，管道中心(xin)的流速最(zuì)快，越靠近(jin)管壁處的(de)流速越慢(man)，這是❄️流體(ti)流動時，由(you)♌于流體介(jiè)質的粘度(du)和在管道(dao)内部産生(shēng)摩擦的緣(yuán)故。

由于流(liú)體介質的(de)密度和粘(zhan)度的關系(xì)，一切流體(tǐ)介⛱️質🔴在流(liu)動😘時内部(bu)各個層面(miàn)的速度是(shi)不同的。在(zài)相✌️鄰層的(de)接觸面上(shang)存在着一(yi)對等值反(fan)向的力，速(su)度較快的(de)🔴流層帶動(dong)流層🍉速度(dù)較👌慢的流(liu)層，使之加(jiā)快速度；速(sù)度較慢的(de)流層阻滞(zhi)速度較快(kuai)的流層使(shi)之減速，這(zhè)種阻🏃‍♀️滞力(li)稱之爲内(nèi)摩擦力，流(liu)體之間的(de)相🚶互作用(yòng)稱爲流體(ti)内摩擦（即(jí)：牛頓内摩(mo)擦定律），而(er)粘度是内(nèi)摩擦的量(liang)度，是流❤️體(ti)反抗變🈚形(xíng)的能力。
2.3雷(léi)諾數和流(liu)态[
根據測(ce)量管道内(nei)流體的流(liu)動狀态和(hé)流速的分(fen)布情況，雷(lei)諾數是表(biǎo)征流體流(liu)動特性的(de)一個重要(yao)參數。雷❓諾(nuò)數表征了(le)流體流動(dòng)時慣性力(lì)和粘性力(li)的無綱量(liang)參數，其比(bǐ)值如下式(shi)給出[1]
Re=VD/γ（管道(dào)爲圓管時(shi)）
式中：V—流動(dòng)橫截面的(de)平均流速(sù)，單位：米/秒(miǎo)（m/s）。
D—流動的特(te)性長度爲(wei)管道直徑(jing)，單位：米（m）。
γ—流(liú)體的運動(dòng)粘度，單位(wei)：平方米/秒(miao)（m2/s）。
對于流動(dòng)介質的斷(duan)面爲圓管(guan)時，有一個(gè)共同的臨(lin)界雷諾數(shù)Rec，一般情況(kuàng)下，Rec=2300。
當Re＜Rec時，管(guan)道内流體(tǐ)爲層流（層(céng)流是流體(tǐ)流動時，如(ru)果流體質(zhì)點的軌迹(jì)随初始空(kōng)間坐标x、y、z和(he)時間t而變(biàn)，則是有規(guī)則的光滑(hua)曲線，最♊簡(jian)單的情形(xing)是直線），如(rú)圖2（a）所示。

根(gen)據以上各(ge)種參數的(de)分析，最終(zhōng)設計出探(tàn)頭部件，如(rú)圖📧3所示✌️。

3實(shi)踐當中遇(yù)到的實際(ji)難題
根據(jù)中華人民(min)共和國機(ji)械行業标(biao)準：JB/T9249-2015《渦街流(liu)量計》進行(háng)插入🚶式渦(wō)街流量計(ji)的研制與(yǔ)設計。在試(shi)驗過程中(zhong)，因爲🚶‍♀️理論(lun)研究⭐不充(chong)分，再加上(shàng)經驗不足(zu)，采用插入(rù)深度是按(àn)🏃🏻‍♂️照以往其(qi)它産🆚品（插(chā)入式電磁(ci)流量❌計）的(de)經驗，以插(cha)入深♊度爲(wei)現場管道(dao)内徑的12.5%進(jìn)行試⛹🏻‍♀️驗，其(qí)對介質流(liú)量的檢測(cè)值與同種(zhǒng)規格管道(dào)法蘭式結(jié)構的渦街(jiē)流量計進(jin)行比較，偏(piān)差值較大(da)、儀表準确(què)度無法滿(mǎn)足設計要(yào)求。試驗安(an)裝位置和(hé)安裝方法(fǎ)如圖4所示(shi)。

插入式渦(wo)街流量計(jì)插入深度(du)爲現場管(guan)道内徑的(de)12.5%時⛹🏻‍♀️，試驗數(shu)據如下（以(yǐ)DN200爲例）：

插入(rù)式渦街流(liu)量計标校(xiào)原始記錄(lu)，流量範圍(wei)：（90～400）m3/h；标定介質(zhì)：水；标定溫(wen)度：20℃；标定壓(yā)力：1.0Mpa。
标定結(jié)論[3]：最大儀(yí)表系數：2.45N/L；最(zuì)小儀表系(xì)數：1.743N/L；最終儀(yí)表系數：2.0965N/L；線(xian)性誤差：16.86%；重(zhòng)複性誤差(cha)：0.20%。
對以上的(de)試驗結果(guo)與相同規(gui)格、型号、量(liàng)程的法蘭(lan)式🐅渦街流(liu)量計相對(dui)比，其精度(dù)無法相比(bi)。結論：插入(ru)♊深度有問(wèn)題，或插入(ru)式渦街流(liú)量計的采(cǎi)集信号的(de)探頭結構(gòu)有問題。
經(jīng)過分析、研(yan)究，插入式(shì)渦街流量(liàng)計的采集(jí)信号的🧡探(tan)頭結構确(que)定沒有問(wen)題。
對插入(rù)式渦街流(liu)量計和插(cha)入式電磁(cí)流量計的(de)結‼️構💜原🚶理(li)進😍行分析(xī)，插入式電(dian)磁流量計(ji)的信号采(cai)集點在标(biāo)校管道内(nèi)12.5%爲宜，因它(tā)屬電磁類(lei)流量計，而(er)渦🏃🏻街流量(liàng)計是根據(ju)“卡門渦街(jiē)”原💜理進行(háng)☂️測量管道(dao)内流量，根(gen)據标校管(guan)道内層流(liú)和湍流的(de)分💰析，以及(ji)插入式渦(wo)街流量計(jì)獨特的探(tan)頭結構形(xíng)式，确定插(cha)入式渦街(jiē)流量⛱️計的(de)插入深度(du)爲标校管(guan)道内50%，試驗(yan)安裝位置(zhì)和安裝方(fāng)法如圖5所(suo)示。

插入式(shì)渦街流量(liàng)計插入深(shēn)度爲現場(chǎng)管道内徑(jing)的🍉50%時，試驗(yan)😄數據如下(xia)（以DN200爲例）：
插(cha)入式渦街(jie)流量計标(biāo)校原始記(jì)錄，流量範(fàn)圍：（90～400）m3/h；标定介(jiè)質：水；标定(dìng)溫度：20℃；标定(dìng)壓力：1.0MPa。
檢定(dìng)結論[3]：最大(da)儀表系數(shu)：0.144N/L；最小儀表(biǎo)系數：0.143N/L；最終(zhong)儀表💞系數(shu)😍：0.143N/L；線性🌐誤差(chà)：0.23%；重複性誤(wù)差：0.20%；儀表精(jīng)度：0.31%。

4結論
一(yī)種插入式(shì)渦街流量(liang)計在實際(ji)應用過程(chéng)中，經過該(gāi)🚶‍♀️儀表特殊(shu)結構分析(xī)和根據流(liu)體力學的(de)特性，對探(tan)頭進行優(you)化🌈設計🔱，以(yǐ)及插入深(shēn)度的确定(dìng)，确保提高(gao)其在🚶‍♀️現場(chǎng)運行過程(chéng)中的穩定(ding)性、精度等(děng)級和抗幹(gàn)擾能力，充(chong)分發揮插(chā)入式渦💃🏻街(jie)流量計自(zì)有優勢🐇，對(dui)該産品質(zhi)量的提升(sheng)以及可操(cao)作性都具(jù)有實質📐性(xìng)推動作用(yòng)，同時配合(hé)輔助工具(jù)還可實現(xian)現場不停(ting)産安裝或(huò)更換，彌補(bǔ)了法蘭式(shi)渦街流量(liang)計體積大(dà)、整體重量(liang)過大、安😄裝(zhuang)不便等現(xian)象，爲用戶(hù)提供了方(fang)便，特别适(shì)用于大管(guan)道介質的(de)測量，其性(xing)價比高、适(shi)用廣泛。

以(yǐ)上内容源(yuan)于網絡，如(ru)有侵權聯(lian)系即删除(chu)!