氣體渦輪流量計的工作原理及優化設計
點擊次數：1854 發布時間：2021-01-13 17:45:43
摘 要 ：描述氣體渦輪流量計的工作原理，根據流體力學中著名的“卡門渦街”原理進行流量測量，同時根據被測介質流速分布情況，簡述渦旋發生體（非線性三角柱形體）以及探頭的結構形式；經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（主要是渦旋發生體和并聯方式的四片壓電晶體與被測管道的相對位置），從而確定安裝現場的通用原則和規范，當配合輔助工具（公司專利產品：開孔器和推進、啟拔器）還可實現現場不停產安裝或更換，彌補了氣體渦輪流量計的體積大、整體重量過大、安裝不便等不足現象，具有很高的性價比。
引言
煙氣流量計均以管道法蘭式結構形式在用戶中廣泛使用，但其相對價格較高，且只有在現場管線停產檢修時才能進行安裝、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，配合自主研發的專用配套工具（公司專利產品：開孔器和推進、啟拔器），可實現現場管道在不停產的狀態下進行安裝或更換氣體渦輪流量計，該產品造價低廉、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、發生體的幾何尺寸，和與之相配套采用并聯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管道安裝特點。采用先進的加工中心進行生產加工各個零部件，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，本文主要通過優化設計和試驗，確定其插入深度的正確選擇。
1 測量原理
氣體渦輪流量計實現流量測量的理論基礎是流體力學中著名的“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，即渦旋發生體，如圖 1 所示。當流體沿渦旋發生體繞流時，會在渦旋發生體下游產生兩列不對稱，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 之比滿足 h/L=0.281 時，所產生的渦街才是穩定的。
按國際標準化組織 IS07145（在環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，插入大口徑工業管道內，將卡門旋渦頻率轉換為與流量成正比的標準信號：（4 ～ 20）mA DC。
2 氣體渦輪流量計優化設計
根據流體力學的相關知識，從以下幾個方面進行探討與研究：
2.1 流體介質的密度
流體質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。也就是，流體密度是溫度和壓力的函數。
2.2 流體介質的粘度
先觀察河中水流動的現象，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時，管道中心的流速最快，越靠近管壁處的流速越慢，這是流體流動時，由于流體介質的粘度和在管道內部產生摩擦的緣故。
由于流體介質的密度和粘度的關系，一切流體介質在流動時內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摩擦力，流體之間的相互作用稱為流體內摩擦（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
根據測量管道內流體的流動狀態和流速的分布情況，雷諾數是表征流體流動特性的一個重要參數。雷諾數表征了流體流動時慣性力和粘性力的無綱量參數，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）。
對于流動介質的斷面為圓管時，有一個共同的臨界雷諾數 Rec，一般情況下，Rec=2300。
當 Re ＜ Rec 時，管道內流體為層流（層流是流體流動時，如果流體質點的軌跡隨初始空間坐標 x、y、z 和時間 t 而變，則是有規則的光滑曲線，最簡單的情形是直線），如圖 2（a）所示。
當 Re ＞ Rec 時，管道內流體為湍流（湍流是流體的不規則運動，流場中各種量隨時間和空間坐標發生紊亂地變化），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 實踐當中遇到的實際難題
根據中華人民共和國機械行業標準：JB/T9249-2015《煙氣流量計》進行氣體渦輪流量計的研制與設計。在試驗過程中，因為理論研究不充分，再加上經驗不足，采用插入深度是按照以往其它產品（插入式電磁流量計）的經驗，以插入深度為現場管道內徑的 12.5% 進行試驗，其對介質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行比較，偏差值較大、儀表準確度無法滿足設計要求。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管道內徑的 12.5%時，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：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，其準確度無法相比。結論 ：插入深度有問題，或氣體渦輪流量計的采集信號的探頭結構有問題。
經過分析、研究，氣體渦輪流量計的采集信號的探頭結構確定沒有問題。
對氣體渦輪流量計和插入式電磁流量計的結構原理進行分析，插入式電磁流量計的信號采集點在標校管道內12.5% 為宜，因它屬電磁類流量計，而煙氣流量計是根據“卡門渦街”原理進行測量管道內流量，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管道內徑的50%時，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：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際應用過程中，經過該儀表特殊結構分析和根據流體力學的特性，對探頭進行優化設計，以及插入深度的確定，確保提高其在現場運行過程中的穩定性、準確度等級和抗干擾能力，充分發揮氣體渦輪流量計自有優勢，對該產品質量的提升以及可操作性都具有實質性推動作用，同時配合輔助工具（公司專利產品 ：開孔器和推進、啟拔器）還可實現現場不停產安裝或更換，彌補了法蘭式煙氣流量計體積大、整體重量過大、安裝不便等現象，為用戶提供了方便，特別適用于大管道介質的測量，其性價比高、適用廣泛。
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引言
煙氣流量計均以管道法蘭式結構形式在用戶中廣泛使用，但其相對價格較高，且只有在現場管線停產檢修時才能進行安裝、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，配合自主研發的專用配套工具（公司專利產品：開孔器和推進、啟拔器），可實現現場管道在不停產的狀態下進行安裝或更換氣體渦輪流量計，該產品造價低廉、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、發生體的幾何尺寸，和與之相配套采用并聯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管道安裝特點。采用先進的加工中心進行生產加工各個零部件，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，本文主要通過優化設計和試驗，確定其插入深度的正確選擇。
1 測量原理
氣體渦輪流量計實現流量測量的理論基礎是流體力學中著名的“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，即渦旋發生體，如圖 1 所示。當流體沿渦旋發生體繞流時，會在渦旋發生體下游產生兩列不對稱，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 之比滿足 h/L=0.281 時，所產生的渦街才是穩定的。
按國際標準化組織 IS07145（在環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，插入大口徑工業管道內，將卡門旋渦頻率轉換為與流量成正比的標準信號：（4 ～ 20）mA DC。
2 氣體渦輪流量計優化設計
根據流體力學的相關知識，從以下幾個方面進行探討與研究：
2.1 流體介質的密度
流體質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。也就是，流體密度是溫度和壓力的函數。
2.2 流體介質的粘度
先觀察河中水流動的現象，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時，管道中心的流速最快，越靠近管壁處的流速越慢，這是流體流動時，由于流體介質的粘度和在管道內部產生摩擦的緣故。
由于流體介質的密度和粘度的關系，一切流體介質在流動時內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摩擦力，流體之間的相互作用稱為流體內摩擦（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
根據測量管道內流體的流動狀態和流速的分布情況，雷諾數是表征流體流動特性的一個重要參數。雷諾數表征了流體流動時慣性力和粘性力的無綱量參數，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）。
對于流動介質的斷面為圓管時，有一個共同的臨界雷諾數 Rec，一般情況下，Rec=2300。
當 Re ＜ Rec 時，管道內流體為層流（層流是流體流動時，如果流體質點的軌跡隨初始空間坐標 x、y、z 和時間 t 而變，則是有規則的光滑曲線，最簡單的情形是直線），如圖 2（a）所示。
當 Re ＞ Rec 時，管道內流體為湍流（湍流是流體的不規則運動，流場中各種量隨時間和空間坐標發生紊亂地變化），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 實踐當中遇到的實際難題
根據中華人民共和國機械行業標準：JB/T9249-2015《煙氣流量計》進行氣體渦輪流量計的研制與設計。在試驗過程中，因為理論研究不充分，再加上經驗不足，采用插入深度是按照以往其它產品（插入式電磁流量計）的經驗，以插入深度為現場管道內徑的 12.5% 進行試驗，其對介質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行比較，偏差值較大、儀表準確度無法滿足設計要求。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管道內徑的 12.5%時，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：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，其準確度無法相比。結論 ：插入深度有問題，或氣體渦輪流量計的采集信號的探頭結構有問題。
經過分析、研究，氣體渦輪流量計的采集信號的探頭結構確定沒有問題。
對氣體渦輪流量計和插入式電磁流量計的結構原理進行分析，插入式電磁流量計的信號采集點在標校管道內12.5% 為宜，因它屬電磁類流量計，而煙氣流量計是根據“卡門渦街”原理進行測量管道內流量，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管道內徑的50%時，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：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際應用過程中，經過該儀表特殊結構分析和根據流體力學的特性，對探頭進行優化設計，以及插入深度的確定，確保提高其在現場運行過程中的穩定性、準確度等級和抗干擾能力，充分發揮氣體渦輪流量計自有優勢，對該產品質量的提升以及可操作性都具有實質性推動作用，同時配合輔助工具（公司專利產品 ：開孔器和推進、啟拔器）還可實現現場不停產安裝或更換，彌補了法蘭式煙氣流量計體積大、整體重量過大、安裝不便等現象，為用戶提供了方便，特別適用于大管道介質的測量，其性價比高、適用廣泛。