工程设计中插入式涡街流量计插入深度的选择

吴美景，祁宏丽，马立伟

（承德菲时博特自动化设备有限公司，河北 承德 067000）

0 引言

涡街流量计均以管道法兰式结构形式在用户中广泛使用，但其相对价格较高，且只有在现场管线停产检修时才能进行安装、维护。针对此种情况，研制了插入式涡街量计，因其特殊的结构形式，配合自主研发的专用配套工具（公司专利产品：开孔器和推进、启拔器），可实现现场管道在不停产的状态下进行安装或更换插入式涡街流量计，该产品造价低廉、抗振性强、无零点漂移、可靠性高。通过长时间对插入式涡街流量计进行大量波形分析和频谱分析，设计出最佳的探头形状、壁厚、高度、探头杆直径、发生体的几何尺寸，和与之相配套采用并联方式的四片压电晶体及插入式涡街流量计插入管道的深度，普遍适用于大口径工业管道安装特点。采用先进的加工中心进行生产加工各个零部件，确保各个零部件的同轴度和表面粗糙度等加工精度，再配合热处理工艺，从而最大限度地克服涡街流量计存在的固有自振荡频率对信号的影响，其准确度等级能够达到±1% FS 以上，本文主要通过优化设计和试验，确定其插入深度的正确选择。

图1 卡门涡街原理图Fig.1 Carmen vortex street schematic diagram

1 测量原理

插入式涡街流量计实现流量测量的理论基础是流体力学中著名的“卡门涡街”原理，在流动的流体中装置一个非线性三角柱形体，即涡旋发生体，如图1 所示[1]。当流体沿涡旋发生体绕流时，会在涡旋发生体下游产生两列不对称，但有规律交替地分离释放出一系列漩涡束，只有当两涡漩列之间的距离h 和同列的两涡漩之间的距离L 之比满足h/L=0.281 时，所产生的涡街才是稳定的[2]。

按国际标准化组织IS07145（在环形截面封闭管道中的流体流量测定——在截面一点的速度测量法），采用埋入压电晶体的涡街测速探头，插入大口径工业管道内，将卡门旋涡频率转换为与流量成正比的标准信号：（4 ～20）mA DC。

2 插入式涡街流量计优化设计

根据流体力学的相关知识，从以下几个方面进行探讨与研究：

2.1 流体介质的密度

流体质量不随外界条件变化而变化，但流体体积与温度和压力密切相关。也就是，流体密度是温度和压力的函数。

2.2 流体介质的粘度

图2 流速分布图Fig.2 Flow velocity distribution

先观察河中水流动的现象，可以看到河中央的水流速最快，越靠近岸边的水流得越慢。同样，当流体在管道中流动时，管道中心的流速最快，越靠近管壁处的流速越慢，这是流体流动时，由于流体介质的粘度和在管道内部产生摩擦的缘故。

由于流体介质的密度和粘度的关系，一切流体介质在流动时内部各个层面的速度是不同的。在相邻层的接触面上存在着一对等值反向的力，速度较快的流层带动流层速度较慢的流层，使之加快速度；速度较慢的流层阻滞速度较快的流层使之减速，这种阻滞力称之为内摩擦力，流体之间的相互作用称为流体内摩擦（即：牛顿内摩擦定律），而粘度是内摩擦的量度，是流体反抗变形的能力。

2.3 雷诺数和流态[2]

根据测量管道内流体的流动状态和流速的分布情况，雷诺数是表征流体流动特性的一个重要参数。雷诺数表征了流体流动时惯性力和粘性力的无纲量参数，其比值如下式给出[1]：

Re=VD/γ（管道为圆管时）

式中：V—流动横截面的平均流速，单位：米/秒（m/s）。

D—流动的特性长度为管道直径，单位：米（m）。

γ—流体的运动粘度，单位：平方米/秒（m2/s）。

对于流动介质的断面为圆管时，有一个共同的临界雷诺数Rec，一般情况下，Rec=2300。

当Re ＜Rec 时，管道内流体为层流（层流是流体流动时，如果流体质点的轨迹随初始空间坐标x、y、z 和时间t 而变，则是有规则的光滑曲线，最简单的情形是直线），如图2（a）所示。

当Re ＞Rec 时，管道内流体为湍流（湍流是流体的不规则运动，流场中各种量随时间和空间坐标发生紊乱地变化），如图2（b）所示。

根据以上各种参数的分析，最终设计出探头部件，如图3 所示。

3 实践当中遇到的实际难题

图3 探头部件图Fig.3 Probe components

图4 试验安装位置和安装方法（12.5%）Fig.4 Test installation position and installation method

表1 试验数据—插入深度为现场管道内径12.5%Table 1 Test data-insertion depth is 12.5% of the inner diameter of the pipeline

根据中华人民共和国机械行业标准：JB/T9249-2015《涡街流量计》进行插入式涡街流量计的研制与设计。在试验过程中，因为理论研究不充分，再加上经验不足，采用插入深度是按照以往其它产品（插入式电磁流量计）的经验，以插入深度为现场管道内径的12.5%进行试验，其对介质流量的检测值与同种规格管道法兰式结构的涡街流量计进行比较，偏差值较大、仪表准确度无法满足设计要求。试验安装位置和安装方法如图4 所示。

插入式涡街流量计插入深度为现场管道内径的12.5%时，试验数据如下（以DN200 为例）：

插入式涡街流量计标校原始记录，流量范围：（90 ～400）m3/h；标定介质：水；标定温度：20℃；标定压力：1.0Mpa。

标定结论[3]：最大仪表系数：2.45N/L；最小仪表系数：1.743N/L；最终仪表系数：2.0965N/L；线性误差：16.86%；重复性误差：0.20%。

对以上的试验结果与相同规格、型号、量程的法兰式涡街流量计相对比，其准确度无法相比。结论：插入深度有问题，或插入式涡街流量计的采集信号的探头结构有问题。

表2 试验数据—插入深度为现场管道内径50%Table 2 Test data—the insertion depth is 50% of the inner diameter of the pipeline on site

经过分析、研究，插入式涡街流量计的采集信号的探头结构确定没有问题。

对插入式涡街流量计和插入式电磁流量计的结构原理进行分析，插入式电磁流量计的信号采集点在标校管道内12.5%为宜，因它属电磁类流量计，而涡街流量计是根据“卡门涡街”原理进行测量管道内流量，根据标校管道内层流和湍流的分析，以及插入式涡街流量计独特的探头结构形式，确定插入式涡街流量计的插入深度为标校管道内50%，试验安装位置和安装方法如图5 所示。

插入式涡街流量计插入深度为现场管道内径的50%时，试验数据如下（以DN200 为例）：

插入式涡街流量计标校原始记录，流量范围：（90 ～400）m3/h；标定介质：水；标定温度：20℃；标定压力：1.0MPa。

检定结论[3]：最大仪表系数：0.144N/L；最小仪表系数：0.143N/L；最终仪表系数：0.143N/L；线性误差：0.23%；重复性误差：0.20%；仪表精度：0.31%。

4 结论

本文提出了一种插入式涡街流量计在实际应用过程中，经过该仪表特殊结构分析和根据流体力学的特性，对探头进行优化设计，以及插入深度的确定，确保提高其在现场运行过程中的稳定性、准确度等级和抗干扰能力，充分发挥插入式涡街流量计自有优势，对该产品质量的提升以及可操作性都具有实质性推动作用，同时配合辅助工具（公司专利产品：开孔器和推进、启拔器）还可实现现场不停产安装或更换，弥补了法兰式涡街流量计体积大、整体重量过大、安装不便等现象，为用户提供了方便，特别适用于大管道介质的测量，其性价比高、适用广泛。

图5 试验安装位置和安装方法（50%）Fig.5 Experimental installation location and installation method