氣體渦輪流量計的工作原理及優(yōu)化設(shè)計

摘 要 ：描述氣體渦輪流量計的工作原理，根據(jù)流體力學(xué)中**的“卡門渦街”原理進(jìn)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)試驗論證了氣體渦輪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**產(chǎn)品：開孔器和推進(jìn)、啟拔器）還可實現(xiàn)現(xiàn)場不停產(chǎn)安裝或更換，彌補了氣體渦輪流量計的體積大、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
煙氣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(jìn)行安裝、維護(hù)。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**產(chǎn)品：開孔器和推進(jìn)、啟拔器），可實現(xiàn)現(xiàn)場管道在不停產(chǎn)的狀態(tài)下進(jìn)行安裝或更換氣體渦輪流量計，該產(chǎn)品造價低廉、抗振性強、無零點漂移、可靠性高。通過長時間對氣體渦輪流量計進(jìn)行大量波形分析和頻譜分析，設(shè)計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氣體渦輪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(jìn)的加工中心進(jìn)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*大限度地克服煙氣流量計存在的固有自振蕩頻率對信號的影響，其準(zhǔn)確度等級能夠達(dá)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
氣體渦輪流量計實現(xiàn)流量測量的理論基礎(chǔ)是流體力學(xué)中**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。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。

按國際標(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(biāo)準(zhǔn)信號：（4 ～ 20）mA DC。
2 氣體渦輪流量計優(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(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
先觀察河中水流動的現(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)流體在管道中流動時，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/γ（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）。
γ-流體的運動粘度，單位：平方米 / 秒（m 2 /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(biāo) x、y、z 和時間 t 而變，則是有規(guī)則的光滑曲線，*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**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(biāo)準(zhǔn)：JB/T9249-2015《煙氣流量計》進(jìn)行氣體渦輪流量計的研制與設(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(jìn)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)的煙氣流量計進(jìn)行比較，偏差值較大、儀表準(zhǔn)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。


氣體渦輪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）：
氣體渦輪流量計標(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、量程的法蘭式煙氣流量計相對比，其準(zhǔn)確度無法相比。結(jié)論 ：插入深度有問題，或氣體渦輪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，氣體渦輪流量計的采集信號的探頭結(jié)構(gòu)確定沒有問題。
對氣體渦輪流量計和插入式電磁流量計的結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行分析，插入式電磁流量計的信號采集點在標(biāo)校管道內(nèi)12.5% 為宜，因它屬電磁類流量計，而煙氣流量計是根據(jù)“卡門渦街”原理進(jìn)行測量管道內(nèi)流量，根據(jù)標(biāo)校管道內(nèi)層流和湍流的分析，以及氣體渦輪流量計獨特的探頭結(jié)構(gòu)形式，確定氣體渦輪流量計的插入深度為標(biāo)校管道內(nèi) 50%，試驗安裝位置和安裝方法如圖 5 所示。

氣體渦輪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）：
氣體渦輪流量計標(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
本文提出了一種氣體渦輪流量計在實際應(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(jìn)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(zhǔn)確度等級和抗干擾能力，充分發(fā)揮氣體渦輪流量計自有優(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**產(chǎn)品 ：開孔器和推進(jìn)、啟拔器）還可實現(xiàn)現(xiàn)場不停產(chǎn)安裝或更換，彌補了法蘭式煙氣流量計體積大、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。

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