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**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**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**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*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**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*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*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)，*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**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，*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：*大儀表系數 ：2.45N/L ；*小儀表系數 ：1.743N/L ；*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：*大儀表系數：0.144N/L；*小儀表系數：0.143N/L ；*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**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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