氣體渦輪流量計的工作原理及優(yōu)化設計

摘 要 ：描述氣體渦輪流量計的工作原理，根據流體力學(xué)中著(zhù)名的“卡門(mén)渦街”原理進(jìn)行流量測量，同時(shí)根據被測介質(zhì)流速分布情況，簡(jiǎn)述渦旋發(fā)生體（非線(xiàn)性三角柱形體）以及探頭的結構形式；經(jīng)試驗論證了氣體渦輪流量計在被測管道內正確的插入深度（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），從而確定安裝現場(chǎng)的通用原則和規范，當配合輔助工具（公司專(zhuān)利產(chǎn)品：開(kāi)孔器和推進(jìn)、啟拔器）還可實(shí)現現場(chǎng)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(guò)大、安裝不便等不足現象，具有很高的性?xún)r(jià)比。
引言
煙氣流量計均以管道法蘭式結構形式在用戶(hù)中廣泛使用，但其相對價(jià)格較高，且只有在現場(chǎng)管線(xiàn)停產(chǎn)檢修時(shí)才能進(jìn)行安裝、維護。針對此種情況，研制了插入式渦街量計，因其特殊的結構形式，配合自主研發(fā)的專(zhuān)用配套工具（公司專(zhuān)利產(chǎn)品：開(kāi)孔器和推進(jìn)、啟拔器），可實(shí)現現場(chǎng)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(jià)低廉、抗振性強、無(wú)零點(diǎn)漂移、可靠性高。通過(guò)長(cháng)時(shí)間對氣體渦輪流量計進(jìn)行大量波形分析和頻譜分析，設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(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，從而最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，其準確度等級能夠達到±1% FS 以上，本文主要通過(guò)優(yōu)化設計和試驗，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(shí)現流量測量的理論基礎是流體力學(xué)中著(zhù)名的“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)生兩列不對稱(chēng)，但有規律交替地分離釋放出一系列漩渦束，只有當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)生的渦街才是穩定的。

按國際標準化組織 IS07145（在環(huán)形截面封閉管道中的流體流量測定--在截面一點(diǎn)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，將卡門(mén)旋渦頻率轉換為與流量成正比的標準信號：（4 ～ 20）mA DC。
2 氣體渦輪流量計優(yōu)化設計
根據流體力學(xué)的相關(guān)知識，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。
2.2 流體介質(zhì)的粘度
先觀(guān)察河中水流動(dòng)的現象，可以看到河中央的水流速最快，越靠近岸邊的水流得越慢。同樣，當流體在管道中流動(dòng)時(shí)，管道中心的流速最快，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(zhù)一對等值反向的力，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)之為內摩擦力，流體之間的相互作用稱(chēng)為流體內摩擦（即：牛頓內摩擦定律），而粘度是內摩擦的量度，是流體反抗變形的能力。
2.3 雷諾數和流態(tài)
根據測量管道內流體的流動(dòng)狀態(tài)和流速的分布情況，雷諾數是表征流體流動(dòng)特性的一個(gè)重要參數。雷諾數表征了流體流動(dòng)時(shí)慣性力和粘性力的無(wú)綱量參數，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(cháng)度為管道直徑，單位：米（m）。
γ-流體的運動(dòng)粘度，單位：平方米 / 秒（m 2 /s）。
對于流動(dòng)介質(zhì)的斷面為圓管時(shí)，有一個(gè)共同的臨界雷諾數 Rec，一般情況下，Rec=2300。
當 Re ＜ Rec 時(shí)，管道內流體為層流（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 x、y、z 和時(shí)間 t 而變，則是有規則的光滑曲線(xiàn)，最簡(jiǎn)單的情形是直線(xiàn)），如圖 2（a）所示。
當 Re ＞ Rec 時(shí)，管道內流體為湍流（湍流是流體的不規則運動(dòng)，流場(chǎng)中各種量隨時(shí)間和空間坐標發(fā)生紊亂地變化），如圖 2（b）所示。

根據以上各種參數的分析，最終設計出探頭部件，如圖 3 所示。

3 實(shí)踐當中遇到的實(shí)際難題
根據中華人民共和國機械行業(yè)標準：JB/T9249-2015《煙氣流量計》進(jìn)行氣體渦輪流量計的研制與設計。在試驗過(guò)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，以插入深度為現場(chǎng)管道內徑的 12.5% 進(jìn)行試驗，其對介質(zhì)流量的檢測值與同種規格管道法蘭式結構的煙氣流量計進(jìn)行比較，偏差值較大、儀表準確度無(wú)法滿(mǎn)足設計要求。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場(chǎng)管道內徑的 12.5%時(shí)，試驗數據如下（以 DN200 為例）：
氣體渦輪流量計標校原始記錄， 流量范圍 ：（90 ～ 400）m 3 /h；標定介質(zhì)：水；標定溫度：20℃；標定壓力：1.0Mpa。
標定結論：最大儀表系數 ：2.45N/L ；最小儀表系數 ：1.743N/L ；最終儀表系數 ：2.0965N/L ；線(xiàn)性誤差 ：16.86% ；重復性誤差 ：0.20%。
對以上的試驗結果與相同規格、型號、量程的法蘭式煙氣流量計相對比，其準確度無(wú)法相比。結論 ：插入深度有問(wèn)題，或氣體渦輪流量計的采集信號的探頭結構有問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)分析、研究，氣體渦輪流量計的采集信號的探頭結構確定沒(méi)有問(wèn)題。
對氣體渦輪流量計和插入式電磁流量計的結構原理進(jìn)行分析，插入式電磁流量計的信號采集點(diǎn)在標校管道內12.5% 為宜，因它屬電磁類(lèi)流量計，而煙氣流量計是根據“卡門(mén)渦街”原理進(jìn)行測量管道內流量，根據標校管道內層流和湍流的分析，以及氣體渦輪流量計獨特的探頭結構形式，確定氣體渦輪流量計的插入深度為標校管道內 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場(chǎng)管道內徑的50%時(shí)，試驗數據如下（以 DN200 為例）：
氣體渦輪流量計標校原始記錄，流量范圍 ：（90 ～ 400）m 3 /h；標定介質(zhì)：水；標定溫度：20℃；標定壓力：1.0MPa。
檢定結論：最大儀表系數：0.144N/L；最小儀表系數：0.143N/L ；最終儀表系數 ：0.143N/L ；線(xiàn)性誤差 ：0.23% ；
重復性誤差 ：0.20% ；儀表精度 ：0.31%。
4 結論
本文提出了一種氣體渦輪流量計在實(shí)際應用過(guò)程中，經(jīng)過(guò)該儀表特殊結構分析和根據流體力學(xué)的特性，對探頭進(jìn)行優(yōu)化設計，以及插入深度的確定，確保提高其在現場(chǎng)運行過(guò)程中的穩定性、準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(shí)質(zhì)性推動(dòng)作用，同時(shí)配合輔助工具（公司專(zhuān)利產(chǎn)品 ：開(kāi)孔器和推進(jìn)、啟拔器）還可實(shí)現現場(chǎng)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(guò)大、安裝不便等現象，為用戶(hù)提供了方便，特別適用于大管道介質(zhì)的測量，其性?xún)r(jià)比高、適用廣泛。

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