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插入式壓縮空氣流量計的工作原（yuán）理及（jí）優化設計
點擊次數：2091 發布（bù）時間：2021-01-08 05:01:22
壓（yā）縮（suō）空氣流量計均（jun1）以管道法蘭式結構形式在用戶中廣泛使用，但其相對價（jià）格較高，且（qiě）隻有在現場管線停產檢修時才能進行安裝、維護。針對此種（zhǒng）情況，研製了插（chā）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**產品：開孔（kǒng）器和推進、啟拔器），可實現現場管道在不停產的狀態下進（jìn）行安裝或更換插入式壓縮空氣流（liú）量計，該產（chǎn）品造價低廉、抗（kàng）振性（xìng）強、無零點漂移、可靠性（xìng）高（gāo）。通過長（zhǎng）時間對插入式壓縮空氣流量計進行大量波形分析和頻譜分析，設（shè）計（jì）出（chū）非常好的的探（tàn）頭形（xíng）狀、壁厚、高（gāo）度、探（tàn）頭杆直徑、發生體的幾何（hé）尺寸，和與之相配（pèi）套采用（yòng）並聯方式的四片壓電晶體及插入式壓縮空氣流量計插入管道的深度，普遍（biàn）適用於大口（kǒu）徑工業管道安裝特（tè）點。采用先進的加工（gōng）中心進行生產加工各個零（líng）部件，確保各個零部（bù）件的同軸度和（hé）表麵粗糙度等加工精度，再配合熱處理工藝，從而*大限度地（dì）克服壓縮空（kōng）氣流量計存在的固（gù）有自振（zhèn）蕩頻（pín）率對信號的（de）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
插入式壓縮空氣流量計（jì）實現（xiàn）流量測量的理論基礎是流體（tǐ）力學中**的“卡（kǎ）門渦街”原理（lǐ），在流動的流體中裝置一個非線性三角（jiǎo）柱形體，即渦旋發生體，如圖（tú） 1 所示。當流體沿渦旋發生體繞流時，會（huì）在渦旋發生體下遊產生（shēng）兩列不對稱，但有規律交替地分離釋（shì）放出一係列漩渦束，隻有（yǒu）當兩渦漩列（liè）之間的距（jù）離（lí） h 和同列的兩渦漩之間的距離 L 之比滿足 h/L=0.281 時（shí），所產生的渦街才是穩定的。
按國際標準化組織 IS07145（在環形截麵封閉管道中的流（liú）體流量測定--在截麵（miàn）一點（diǎn）的速度測量法），采（cǎi）用埋入壓（yā）電晶（jīng）體的渦（wō）街測速探頭，插入（rù）大口（kǒu）徑工業（yè）管道內，將卡門旋渦頻率轉換為與流量成正比的標準（zhǔn）信號：（4 ～ 20）mA DC。
2 插入式壓縮空氣流量計優化設計
根據流體（tǐ）力學（xué）的相（xiàng）關知識，從以下（xià）幾個方麵進行探討與研究：
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（dàn）流體體積（jī）與溫（wēn）度和壓力密切相關。也就是，流體密度（dù）是（shì）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（zhōng）央的水流速*快，越靠近岸（àn）邊的水流得越慢。同（tóng）樣，當流體在管道中流動時，管道中心的流（liú）速*快（kuài），越靠近管壁處的流速越慢，這是流體流動時，由於（yú）流體介質的粘度和在管道內部產生摩擦的緣故。
由於流體介質的密度和粘（zhān）度的關係（xì），一切流（liú）體介質在流動時內部各個層麵的速度是不同的。在相鄰層的接觸麵上存（cún）在著一對等值反向的力，速度（dù）較快的流層帶動流層速度較慢的流層（céng），使之加快速度；速度較慢的流層阻（zǔ）滯速度較快的流層使之（zhī）減速，這種阻滯力稱之為內摩擦力，流（liú）體之間的相互作用稱為流體內摩擦（即：牛（niú）頓內摩擦定律），而粘度（dù）是內摩擦的量度，是流體反抗變形的（de）能力。
2.3 雷諾（nuò）數和流態
根（gēn）據測量管道內流體（tǐ）的流動狀態和流速的分布情況，雷諾數是表征流（liú）體流動特性的一個重要參數。雷諾數表征（zhēng）了流體流動時慣性力和粘（zhān）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-流動橫截麵的平均（jun1）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）。
對於流動介（jiè）質的斷麵（miàn）為圓管時，有一（yī）個（gè）共同的臨（lín）界雷諾數 Rec，一般情況下（xià），Rec=2300。
當 Re ＜ Rec 時（shí），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（zuò）標 x、y、z 和時間 t 而變（biàn），則是有規則的光滑曲線，*簡單的情形（xíng）是直線（xiàn）），如圖 2（a）所示。
當 Re ＞ Rec 時，管道內流（liú）體（tǐ）為湍流（湍流是流體（tǐ）的不（bú）規則（zé）運動，流場中（zhōng）各種量（liàng）**間和空間坐標發生紊亂（luàn）地變化），如圖 2（b）所示。
根據（jù）以上各種參（cān）數的分析，*終設計出探頭部件（jiàn），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《壓縮（suō）空氣流量計》進（jìn）行插入式壓縮空氣流量計的研製與設計。在（zài）試驗過程中，因為（wéi）理（lǐ）論研究不充分，再加上經驗不足（zú），采用插入深度是按照以往其它產品（插入式電（diàn）磁流量計）的經驗，以插入深度為現場管道（dào）內徑（jìng）的 12.5% 進行（háng）試（shì）驗，其對介質流量的檢（jiǎn）測值與同種規格管道法蘭式結（jié）構的壓縮空氣流量計（jì）進行比（bǐ）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（tú） 4 所示。
插入式壓縮空氣流量計插入深度為現場管道內徑（jìng）的 12.5%時，試驗數據如下（以 DN200 為（wéi）例）：
插入式壓縮空氣流量計（jì）標校原始記錄， 流量範圍（wéi） ：（90 ～ 400）m 3 /h；標定介質：水；標定溫度（dù）：20℃；標定（dìng）壓力：1.0Mpa。
標定結論：*大儀表係數 ：2.45N/L ；*小儀表係數 ：1.743N/L ；*終儀表係數 ：2.0965N/L ；線性誤差 ：16.86% ；重複（fù）性誤差 ：0.20%。
對以（yǐ）上的試驗結果與相同規格、型號、量程（chéng）的法蘭式壓縮空氣流量計相對（duì）比，其準確度無法相比（bǐ）。結論 ：插入（rù）深度有問題（tí），或插入式壓縮空氣流量計（jì）的采集信號的探頭結構（gòu）有問題。
經過分析、研（yán）究，插入式（shì）壓縮空氣流量（liàng）計的采集信號的探頭結構確定沒有問題。
對插入式壓縮空氣流（liú）量計和插入式（shì）電磁（cí）流量計的結構原（yuán）理進行分（fèn）析，插入式（shì）電磁流量計的信（xìn）號采集點在標校管道內12.5% 為宜，因它屬電磁類流量計，而壓縮空氣流（liú）量計是根據“卡門渦街（jiē）”原理（lǐ）進行測量管道內流量（liàng），根據（jù）標校管道內層流和湍流的分析，以及插入式壓縮空氣流量計獨特的探頭結構形式，確定插入式壓縮（suō）空氣流量計的插入（rù）深度為標校管道內 50%，試驗安裝（zhuāng）位置和安裝方（fāng）法如圖（tú） 5 所示。
插入式壓縮空氣流量計插入深度為現場管道（dào）內徑（jìng）的50%時，試驗數據如下（以 DN200 為（wéi）例）：
插入式壓縮空氣流量計標校原始記錄，流量範圍 ：（90 ～ 400）m 3 /h；標定介質：水；標定溫（wēn）度：20℃；標定（dìng）壓力：1.0MPa。
檢定結論：*大儀表係數：0.144N/L；*小儀表（biǎo）係數：0.143N/L ；*終儀（yí）表係數（shù） ：0.143N/L ；線性誤差 ：0.23% ；
重複性誤差 ：0.20% ；儀表（biǎo）精度 ：0.31%。
4 結論
本文提出（chū）了一種（zhǒng）插入式壓縮空氣（qì）流量計（jì）在實際應用過程（chéng）中，經過該儀表特殊（shū）結構（gòu）分析和根據流體力學的特性，對探頭進行優化設（shè）計，以（yǐ）及插入深度的確定，確保提高其在現場運行過程中的穩（wěn）定性、準確度等級和抗幹擾能力（lì），充分發揮插入式（shì）壓縮空氣流量計自有優勢，對該產品質量（liàng）的提升以及可操作性都具有實質性推（tuī）動作用，同時配合輔（fǔ）助工具（公司**產品（pǐn） ：開孔器和推進、啟拔器）還可實現現場不停產安裝或更（gèng）換，彌（mí）補了法蘭式壓（yā）縮空氣流量計體積大、整體（tǐ）重量過大、安裝不便等現象，為用戶提供（gòng）了方便，特別適用於大管（guǎn）道介質的測量，其性（xìng）價比高、適用廣泛。
1 測量原理
插入式壓縮空氣流量計（jì）實現（xiàn）流量測量的理論基礎是流體（tǐ）力學中**的“卡（kǎ）門渦街”原理（lǐ），在流動的流體中裝置一個非線性三角（jiǎo）柱形體，即渦旋發生體，如圖（tú） 1 所示。當流體沿渦旋發生體繞流時，會（huì）在渦旋發生體下遊產生（shēng）兩列不對稱，但有規律交替地分離釋（shì）放出一係列漩渦束，隻有（yǒu）當兩渦漩列（liè）之間的距（jù）離（lí） h 和同列的兩渦漩之間的距離 L 之比滿足 h/L=0.281 時（shí），所產生的渦街才是穩定的。
按國際標準化組織 IS07145（在環形截麵封閉管道中的流（liú）體流量測定--在截麵（miàn）一點（diǎn）的速度測量法），采（cǎi）用埋入壓（yā）電晶（jīng）體的渦（wō）街測速探頭，插入（rù）大口（kǒu）徑工業（yè）管道內，將卡門旋渦頻率轉換為與流量成正比的標準（zhǔn）信號：（4 ～ 20）mA DC。
2 插入式壓縮空氣流量計優化設計
根據流體（tǐ）力學（xué）的相（xiàng）關知識，從以下（xià）幾個方麵進行探討與研究：
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（dàn）流體體積（jī）與溫（wēn）度和壓力密切相關。也就是，流體密度（dù）是（shì）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（zhōng）央的水流速*快，越靠近岸（àn）邊的水流得越慢。同（tóng）樣，當流體在管道中流動時，管道中心的流（liú）速*快（kuài），越靠近管壁處的流速越慢，這是流體流動時，由於（yú）流體介質的粘度和在管道內部產生摩擦的緣故。
由於流體介質的密度和粘（zhān）度的關係（xì），一切流（liú）體介質在流動時內部各個層麵的速度是不同的。在相鄰層的接觸麵上存（cún）在著一對等值反向的力，速度（dù）較快的流層帶動流層速度較慢的流層（céng），使之加快速度；速度較慢的流層阻（zǔ）滯速度較快的流層使之（zhī）減速，這種阻滯力稱之為內摩擦力，流（liú）體之間的相互作用稱為流體內摩擦（即：牛（niú）頓內摩擦定律），而粘度（dù）是內摩擦的量度，是流體反抗變形的（de）能力。
2.3 雷諾（nuò）數和流態
根（gēn）據測量管道內流體（tǐ）的流動狀態和流速的分布情況，雷諾數是表征流（liú）體流動特性的一個重要參數。雷諾數表征（zhēng）了流體流動時慣性力和粘（zhān）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-流動橫截麵的平均（jun1）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）。
對於流動介（jiè）質的斷麵（miàn）為圓管時，有一（yī）個（gè）共同的臨（lín）界雷諾數 Rec，一般情況下（xià），Rec=2300。
當 Re ＜ Rec 時（shí），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（zuò）標 x、y、z 和時間 t 而變（biàn），則是有規則的光滑曲線，*簡單的情形（xíng）是直線（xiàn）），如圖 2（a）所示。
當 Re ＞ Rec 時，管道內流（liú）體（tǐ）為湍流（湍流是流體（tǐ）的不（bú）規則（zé）運動，流場中（zhōng）各種量（liàng）**間和空間坐標發生紊亂（luàn）地變化），如圖 2（b）所示。
根據（jù）以上各種參（cān）數的分析，*終設計出探頭部件（jiàn），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《壓縮（suō）空氣流量計》進（jìn）行插入式壓縮空氣流量計的研製與設計。在（zài）試驗過程中，因為（wéi）理（lǐ）論研究不充分，再加上經驗不足（zú），采用插入深度是按照以往其它產品（插入式電（diàn）磁流量計）的經驗，以插入深度為現場管道（dào）內徑（jìng）的 12.5% 進行（háng）試（shì）驗，其對介質流量的檢（jiǎn）測值與同種規格管道法蘭式結（jié）構的壓縮空氣流量計（jì）進行比（bǐ）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（tú） 4 所示。
插入式壓縮空氣流量計插入深度為現場管道內徑（jìng）的 12.5%時，試驗數據如下（以 DN200 為（wéi）例）：
插入式壓縮空氣流量計（jì）標校原始記錄， 流量範圍（wéi） ：（90 ～ 400）m 3 /h；標定介質：水；標定溫度（dù）：20℃；標定（dìng）壓力：1.0Mpa。
標定結論：*大儀表係數 ：2.45N/L ；*小儀表係數 ：1.743N/L ；*終儀表係數 ：2.0965N/L ；線性誤差 ：16.86% ；重複（fù）性誤差 ：0.20%。
對以（yǐ）上的試驗結果與相同規格、型號、量程（chéng）的法蘭式壓縮空氣流量計相對（duì）比，其準確度無法相比（bǐ）。結論 ：插入（rù）深度有問題（tí），或插入式壓縮空氣流量計（jì）的采集信號的探頭結構（gòu）有問題。
經過分析、研（yán）究，插入式（shì）壓縮空氣流量（liàng）計的采集信號的探頭結構確定沒有問題。
對插入式壓縮空氣流（liú）量計和插入式（shì）電磁（cí）流量計的結構原（yuán）理進行分（fèn）析，插入式（shì）電磁流量計的信（xìn）號采集點在標校管道內12.5% 為宜，因它屬電磁類流量計，而壓縮空氣流（liú）量計是根據“卡門渦街（jiē）”原理（lǐ）進行測量管道內流量（liàng），根據（jù）標校管道內層流和湍流的分析，以及插入式壓縮空氣流量計獨特的探頭結構形式，確定插入式壓縮（suō）空氣流量計的插入（rù）深度為標校管道內 50%，試驗安裝（zhuāng）位置和安裝方（fāng）法如圖（tú） 5 所示。
插入式壓縮空氣流量計插入深度為現場管道（dào）內徑（jìng）的50%時，試驗數據如下（以 DN200 為（wéi）例）：
插入式壓縮空氣流量計標校原始記錄，流量範圍 ：（90 ～ 400）m 3 /h；標定介質：水；標定溫（wēn）度：20℃；標定（dìng）壓力：1.0MPa。
檢定結論：*大儀表係數：0.144N/L；*小儀表（biǎo）係數：0.143N/L ；*終儀（yí）表係數（shù） ：0.143N/L ；線性誤差 ：0.23% ；
重複性誤差 ：0.20% ；儀表（biǎo）精度 ：0.31%。
4 結論
本文提出（chū）了一種（zhǒng）插入式壓縮空氣（qì）流量計（jì）在實際應用過程（chéng）中，經過該儀表特殊（shū）結構（gòu）分析和根據流體力學的特性，對探頭進行優化設（shè）計，以（yǐ）及插入深度的確定，確保提高其在現場運行過程中的穩（wěn）定性、準確度等級和抗幹擾能力（lì），充分發揮插入式（shì）壓縮空氣流量計自有優勢，對該產品質量（liàng）的提升以及可操作性都具有實質性推（tuī）動作用，同時配合輔（fǔ）助工具（公司**產品（pǐn） ：開孔器和推進、啟拔器）還可實現現場不停產安裝或更（gèng）換，彌（mí）補了法蘭式壓（yā）縮空氣流量計體積大、整體（tǐ）重量過大、安裝不便等現象，為用戶提供（gòng）了方便，特別適用於大管（guǎn）道介質的測量，其性（xìng）價比高、適用廣泛。