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插入式壓縮空氣流量計(jì)的工作原理及優(yōu)化設(shè)計(jì)
點(diǎn)擊次數(shù)：2028 發(fā)布時(shí)間：2021-01-08 05:01:22
壓縮空氣流量計(jì)均以管道法蘭式結(jié)構(gòu)形式在用戶(hù)中廣泛使用，但其相對(duì)價(jià)格較高，且只有在現(xiàn)場(chǎng)管線(xiàn)停產(chǎn)檢修時(shí)才能進(jìn)行安裝、維護(hù)。針對(duì)此種情況，研制了插入式渦街量計(jì)，因其特殊的結(jié)構(gòu)形式，配合自主研發(fā)的專(zhuān)用配套工具（公司**產(chǎn)品：開(kāi)孔器和推進(jìn)、啟拔器），可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)管道在不停產(chǎn)的狀態(tài)下進(jìn)行安裝或更換插入式壓縮空氣流量計(jì)，該產(chǎn)品造價(jià)低廉、抗振性強(qiáng)、無(wú)零點(diǎn)漂移、可靠性高。通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間對(duì)插入式壓縮空氣流量計(jì)進(jìn)行大量波形分析和頻譜分析，設(shè)計(jì)出非常好的的探頭形狀、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壓縮空氣流量計(jì)插入管道的深度，普遍適用于大口徑工業(yè)管道安裝特點(diǎn)。采用先進(jìn)的加工中心進(jìn)行生產(chǎn)加工各個(gè)零部件，確保各個(gè)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*大限度地克服壓縮空氣流量計(jì)存在的固有自振蕩頻率對(duì)信號(hào)的影響，其準(zhǔn)確度等級(jí)能夠達(dá)到±1% FS 以上，本文主要通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，確定其插入深度的正確選擇。
1 測(cè)量原理
插入式壓縮空氣流量計(jì)實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量的理論基礎(chǔ)是流體力學(xué)中**的“卡門(mén)渦街”原理，在流動(dòng)的流體中裝置一個(gè)非線(xiàn)性三角柱形體，即渦旋發(fā)生體，如圖 1 所示。當(dāng)流體沿渦旋發(fā)生體繞流時(shí)，會(huì)在渦旋發(fā)生體下游產(chǎn)生兩列不對(duì)稱(chēng)，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(mǎn)足 h/L=0.281 時(shí)，所產(chǎn)生的渦街才是穩(wěn)定的。
按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 IS07145（在環(huán)形截面封閉管道中的流體流量測(cè)定--在截面一點(diǎn)的速度測(cè)量法），采用埋入壓電晶體的渦街測(cè)速探頭，插入大口徑工業(yè)管道內(nèi)，將卡門(mén)旋渦頻率轉(zhuǎn)換為與流量成正比的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)：（4 ～ 20）mA DC。
2 插入式壓縮空氣流量計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)
根據(jù)流體力學(xué)的相關(guān)知識(shí)，從以下幾個(gè)方面進(jìn)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(guān)察河中水流動(dòng)的現(xiàn)象，可以看到河中央的水流速*快，越靠近岸邊的水流得越慢。同樣，當(dāng)流體在管道中流動(dòng)時(shí)，管道中心的流速*快，越靠近管壁處的流速越慢，這是流體流動(dòng)時(shí)，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(dòng)時(shí)內(nèi)部各個(gè)層面的速度是不同的。在相鄰層的接觸面上存在著一對(duì)等值反向的力，速度較快的流層帶動(dòng)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(chēng)之為內(nèi)摩擦力，流體之間的相互作用稱(chēng)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(cè)量管道內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)和流速的分布情況，雷諾數(shù)是表征流體流動(dòng)特性的一個(gè)重要參數(shù)。雷諾數(shù)表征了流體流動(dòng)時(shí)慣性力和粘性力的無(wú)綱量參數(shù)，其比值如下式給出：
Re=VD/γ（管道為圓管時(shí)）
式中：V-流動(dòng)橫截面的平均流速，單位：米 / 秒（m/s）。
D-流動(dòng)的特性長(zhǎng)度為管道直徑，單位：米（m）。
γ-流體的運(yùn)動(dòng)粘度，單位：平方米 / 秒（m 2 /s）。
對(duì)于流動(dòng)介質(zhì)的斷面為圓管時(shí)，有一個(gè)共同的臨界雷諾數(shù) Rec，一般情況下，Rec=2300。
當(dāng) Re ＜ Rec 時(shí)，管道內(nèi)流體為層流（層流是流體流動(dòng)時(shí)，如果流體質(zhì)點(diǎn)的軌跡隨初始空間坐標(biāo) x、y、z 和時(shí)間 t 而變，則是有規(guī)則的光滑曲線(xiàn)，*簡(jiǎn)單的情形是直線(xiàn)），如圖 2（a）所示。
當(dāng) Re ＞ Rec 時(shí)，管道內(nèi)流體為湍流（湍流是流體的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，流場(chǎng)中各種量**間和空間坐標(biāo)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，*終設(shè)計(jì)出探頭部件，如圖 3 所示。
3 實(shí)踐當(dāng)中遇到的實(shí)際難題
根據(jù)中華人民共和國(guó)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：JB/T9249-2015《壓縮空氣流量計(jì)》進(jìn)行插入式壓縮空氣流量計(jì)的研制與設(shè)計(jì)。在試驗(yàn)過(guò)程中，因?yàn)槔碚撗芯坎怀浞?，再加上?jīng)驗(yàn)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(jì)）的經(jīng)驗(yàn)，以插入深度為現(xiàn)場(chǎng)管道內(nèi)徑的 12.5% 進(jìn)行試驗(yàn)，其對(duì)介質(zhì)流量的檢測(cè)值與同種規(guī)格管道法蘭式結(jié)構(gòu)的壓縮空氣流量計(jì)進(jìn)行比較，偏差值較大、儀表準(zhǔn)確度無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)安裝位置和安裝方法如圖 4 所示。
插入式壓縮空氣流量計(jì)插入深度為現(xiàn)場(chǎng)管道內(nèi)徑的 12.5%時(shí)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下（以 DN200 為例）：
插入式壓縮空氣流量計(jì)標(biāo)校原始記錄， 流量范圍 ：（90 ～ 400）m 3 /h；標(biāo)定介質(zhì)：水；標(biāo)定溫度：20℃；標(biāo)定壓力：1.0Mpa。
標(biāo)定結(jié)論：*大儀表系數(shù) ：2.45N/L ；*小儀表系數(shù) ：1.743N/L ；*終儀表系數(shù) ：2.0965N/L ；線(xiàn)性誤差 ：16.86% ；重復(fù)性誤差 ：0.20%。
對(duì)以上的試驗(yàn)結(jié)果與相同規(guī)格、型號(hào)、量程的法蘭式壓縮空氣流量計(jì)相對(duì)比，其準(zhǔn)確度無(wú)法相比。結(jié)論 ：插入深度有問(wèn)題，或插入式壓縮空氣流量計(jì)的采集信號(hào)的探頭結(jié)構(gòu)有問(wèn)題。
經(jīng)過(guò)分析、研究，插入式壓縮空氣流量計(jì)的采集信號(hào)的探頭結(jié)構(gòu)確定沒(méi)有問(wèn)題。
對(duì)插入式壓縮空氣流量計(jì)和插入式電磁流量計(jì)的結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行分析，插入式電磁流量計(jì)的信號(hào)采集點(diǎn)在標(biāo)校管道內(nèi)12.5% 為宜，因它屬電磁類(lèi)流量計(jì)，而壓縮空氣流量計(jì)是根據(jù)“卡門(mén)渦街”原理進(jìn)行測(cè)量管道內(nèi)流量，根據(jù)標(biāo)校管道內(nèi)層流和湍流的分析，以及插入式壓縮空氣流量計(jì)獨(dú)特的探頭結(jié)構(gòu)形式，確定插入式壓縮空氣流量計(jì)的插入深度為標(biāo)校管道內(nèi) 50%，試驗(yàn)安裝位置和安裝方法如圖 5 所示。
插入式壓縮空氣流量計(jì)插入深度為現(xiàn)場(chǎng)管道內(nèi)徑的50%時(shí)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下（以 DN200 為例）：
插入式壓縮空氣流量計(jì)標(biāo)校原始記錄，流量范圍 ：（90 ～ 400）m 3 /h；標(biāo)定介質(zhì)：水；標(biāo)定溫度：20℃；標(biāo)定壓力：1.0MPa。
檢定結(jié)論：*大儀表系數(shù)：0.144N/L；*小儀表系數(shù)：0.143N/L ；*終儀表系數(shù) ：0.143N/L ；線(xiàn)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壓縮空氣流量計(jì)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，經(jīng)過(guò)該儀表特殊結(jié)構(gòu)分析和根據(jù)流體力學(xué)的特性，對(duì)探頭進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及插入深度的確定，確保提高其在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確度等級(jí)和抗干擾能力，充分發(fā)揮插入式壓縮空氣流量計(jì)自有優(yōu)勢(shì)，對(duì)該產(chǎn)品質(zhì)量的提升以及可操作性都具有實(shí)質(zhì)性推動(dòng)作用，同時(shí)配合輔助工具（公司**產(chǎn)品 ：開(kāi)孔器和推進(jìn)、啟拔器）還可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)不停產(chǎn)安裝或更換，彌補(bǔ)了法蘭式壓縮空氣流量計(jì)體積大、整體重量過(guò)大、安裝不便等現(xiàn)象，為用戶(hù)提供了方便，特別適用于大管道介質(zhì)的測(cè)量，其性?xún)r(jià)比高、適用廣泛。
插入式壓縮空氣流量計(jì)的工作原理及優(yōu)化設(shè)計(jì)
1 測(cè)量原理
插入式壓縮空氣流量計(jì)實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量的理論基礎(chǔ)是流體力學(xué)中**的“卡門(mén)渦街”原理，在流動(dòng)的流體中裝置一個(gè)非線(xiàn)性三角柱形體，即渦旋發(fā)生體，如圖 1 所示。當(dāng)流體沿渦旋發(fā)生體繞流時(shí)，會(huì)在渦旋發(fā)生體下游產(chǎn)生兩列不對(duì)稱(chēng)，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(mǎn)足 h/L=0.281 時(shí)，所產(chǎn)生的渦街才是穩(wěn)定的。
按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 IS07145（在環(huán)形截面封閉管道中的流體流量測(cè)定--在截面一點(diǎn)的速度測(cè)量法），采用埋入壓電晶體的渦街測(cè)速探頭，插入大口徑工業(yè)管道內(nèi)，將卡門(mén)旋渦頻率轉(zhuǎn)換為與流量成正比的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)：（4 ～ 20）mA DC。
2 插入式壓縮空氣流量計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)
根據(jù)流體力學(xué)的相關(guān)知識(shí)，從以下幾個(gè)方面進(jìn)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(guān)察河中水流動(dòng)的現(xiàn)象，可以看到河中央的水流速*快，越靠近岸邊的水流得越慢。同樣，當(dāng)流體在管道中流動(dòng)時(shí)，管道中心的流速*快，越靠近管壁處的流速越慢，這是流體流動(dòng)時(shí)，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(dòng)時(shí)內(nèi)部各個(gè)層面的速度是不同的。在相鄰層的接觸面上存在著一對(duì)等值反向的力，速度較快的流層帶動(dòng)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(chēng)之為內(nèi)摩擦力，流體之間的相互作用稱(chēng)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(cè)量管道內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)和流速的分布情況，雷諾數(shù)是表征流體流動(dòng)特性的一個(gè)重要參數(shù)。雷諾數(shù)表征了流體流動(dòng)時(shí)慣性力和粘性力的無(wú)綱量參數(shù)，其比值如下式給出：
Re=VD/γ（管道為圓管時(shí)）
式中：V-流動(dòng)橫截面的平均流速，單位：米 / 秒（m/s）。
D-流動(dòng)的特性長(zhǎng)度為管道直徑，單位：米（m）。
γ-流體的運(yùn)動(dòng)粘度，單位：平方米 / 秒（m 2 /s）。
對(duì)于流動(dòng)介質(zhì)的斷面為圓管時(shí)，有一個(gè)共同的臨界雷諾數(shù) Rec，一般情況下，Rec=2300。
當(dāng) Re ＜ Rec 時(shí)，管道內(nèi)流體為層流（層流是流體流動(dòng)時(shí)，如果流體質(zhì)點(diǎn)的軌跡隨初始空間坐標(biāo) x、y、z 和時(shí)間 t 而變，則是有規(guī)則的光滑曲線(xiàn)，*簡(jiǎn)單的情形是直線(xiàn)），如圖 2（a）所示。
當(dāng) Re ＞ Rec 時(shí)，管道內(nèi)流體為湍流（湍流是流體的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，流場(chǎng)中各種量**間和空間坐標(biāo)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，*終設(shè)計(jì)出探頭部件，如圖 3 所示。
3 實(shí)踐當(dāng)中遇到的實(shí)際難題
根據(jù)中華人民共和國(guó)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：JB/T9249-2015《壓縮空氣流量計(jì)》進(jìn)行插入式壓縮空氣流量計(jì)的研制與設(shè)計(jì)。在試驗(yàn)過(guò)程中，因?yàn)槔碚撗芯坎怀浞?，再加上?jīng)驗(yàn)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(jì)）的經(jīng)驗(yàn)，以插入深度為現(xiàn)場(chǎng)管道內(nèi)徑的 12.5% 進(jìn)行試驗(yàn)，其對(duì)介質(zhì)流量的檢測(cè)值與同種規(guī)格管道法蘭式結(jié)構(gòu)的壓縮空氣流量計(jì)進(jìn)行比較，偏差值較大、儀表準(zhǔn)確度無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)安裝位置和安裝方法如圖 4 所示。
插入式壓縮空氣流量計(jì)插入深度為現(xiàn)場(chǎng)管道內(nèi)徑的 12.5%時(shí)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下（以 DN200 為例）：
插入式壓縮空氣流量計(jì)標(biāo)校原始記錄， 流量范圍 ：（90 ～ 400）m 3 /h；標(biāo)定介質(zhì)：水；標(biāo)定溫度：20℃；標(biāo)定壓力：1.0Mpa。
標(biāo)定結(jié)論：*大儀表系數(shù) ：2.45N/L ；*小儀表系數(shù) ：1.743N/L ；*終儀表系數(shù) ：2.0965N/L ；線(xiàn)性誤差 ：16.86% ；重復(fù)性誤差 ：0.20%。
對(duì)以上的試驗(yàn)結(jié)果與相同規(guī)格、型號(hào)、量程的法蘭式壓縮空氣流量計(jì)相對(duì)比，其準(zhǔn)確度無(wú)法相比。結(jié)論 ：插入深度有問(wèn)題，或插入式壓縮空氣流量計(jì)的采集信號(hào)的探頭結(jié)構(gòu)有問(wèn)題。
經(jīng)過(guò)分析、研究，插入式壓縮空氣流量計(jì)的采集信號(hào)的探頭結(jié)構(gòu)確定沒(méi)有問(wèn)題。
對(duì)插入式壓縮空氣流量計(jì)和插入式電磁流量計(jì)的結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行分析，插入式電磁流量計(jì)的信號(hào)采集點(diǎn)在標(biāo)校管道內(nèi)12.5% 為宜，因它屬電磁類(lèi)流量計(jì)，而壓縮空氣流量計(jì)是根據(jù)“卡門(mén)渦街”原理進(jìn)行測(cè)量管道內(nèi)流量，根據(jù)標(biāo)校管道內(nèi)層流和湍流的分析，以及插入式壓縮空氣流量計(jì)獨(dú)特的探頭結(jié)構(gòu)形式，確定插入式壓縮空氣流量計(jì)的插入深度為標(biāo)校管道內(nèi) 50%，試驗(yàn)安裝位置和安裝方法如圖 5 所示。
插入式壓縮空氣流量計(jì)插入深度為現(xiàn)場(chǎng)管道內(nèi)徑的50%時(shí)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下（以 DN200 為例）：
插入式壓縮空氣流量計(jì)標(biāo)校原始記錄，流量范圍 ：（90 ～ 400）m 3 /h；標(biāo)定介質(zhì)：水；標(biāo)定溫度：20℃；標(biāo)定壓力：1.0MPa。
檢定結(jié)論：*大儀表系數(shù)：0.144N/L；*小儀表系數(shù)：0.143N/L ；*終儀表系數(shù) ：0.143N/L ；線(xiàn)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壓縮空氣流量計(jì)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，經(jīng)過(guò)該儀表特殊結(jié)構(gòu)分析和根據(jù)流體力學(xué)的特性，對(duì)探頭進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及插入深度的確定，確保提高其在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確度等級(jí)和抗干擾能力，充分發(fā)揮插入式壓縮空氣流量計(jì)自有優(yōu)勢(shì)，對(duì)該產(chǎn)品質(zhì)量的提升以及可操作性都具有實(shí)質(zhì)性推動(dòng)作用，同時(shí)配合輔助工具（公司**產(chǎn)品 ：開(kāi)孔器和推進(jìn)、啟拔器）還可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)不停產(chǎn)安裝或更換，彌補(bǔ)了法蘭式壓縮空氣流量計(jì)體積大、整體重量過(guò)大、安裝不便等現(xiàn)象，為用戶(hù)提供了方便，特別適用于大管道介質(zhì)的測(cè)量，其性?xún)r(jià)比高、適用廣泛。
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