氣體渦（wō）輪流量計的（de）工作原理（lǐ）及優化設計
點擊次數：2584 發（fā）布時間：2021-01-13 17:45:43
摘 要 ：描述氣體（tǐ）渦輪流量計的工作原理，根據流體力學中**的“卡門渦街”原理（lǐ）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（shēng）體（tǐ）（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（zhèng）確的插入（rù）深度（主要是渦旋發（fā）生體和並聯方式的四片壓電（diàn）晶體與被測管道的相對位置），從而確定安裝現場的通用原（yuán）則和規範（fàn），當配合輔助工具（公司**產品：開孔器和推進、啟拔器）還可（kě）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（jù）有很（hěn）高的性價比。
引言（yán）
煙氣流量計均以管道法蘭式結構（gòu）形式在用戶中廣泛使用，但（dàn）其相對價格較高，且隻有在（zài）現場（chǎng）管線停產檢（jiǎn）修時才（cái）能進行安（ān）裝、維護。針對此種情況，研製了插入式渦街量計，因其特殊的結構形式（shì），配合自（zì）主研（yán）發的專用配套工具（公司**產品：開孔器和推進、啟拔器），可（kě）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（jì）出非常好的的探頭形狀、壁厚、高度、探頭杆直徑、發生體的幾何尺寸，和（hé）與之相配套采用並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，普遍適用於大口徑工業管道安裝特（tè）點。采用先進的加工中心進行生產加工各個零部（bù）件，確保各個零（líng）部件的同軸度和表麵粗糙度等加工精度，再（zài）配合熱（rè）處理工藝，從而*大限（xiàn）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（néng）夠（gòu）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（zé）。
1 測量原理
氣體渦（wō）輪（lún）流量計實現流量（liàng）測量的理（lǐ）論（lùn）基礎是流（liú）體（tǐ）力學中**的（de）“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（suǒ）示。當流體沿渦旋發生體繞流時，會在渦旋發生體下遊產生兩列不對（duì）稱，但（dàn）有規律交替地分離（lí）釋放出一（yī）係列漩渦束，隻有當（dāng）兩渦漩（xuán）列之間的（de）距離 h 和同列的（de）兩渦漩之間的距離 L 之比滿（mǎn）足 h/L=0.281 時，所產生（shēng）的渦街（jiē）才是穩定的。
按國際標準化組織 IS07145（在環形截麵封（fēng）閉管道中（zhōng）的流體流量測定--在截麵一點的速度測量法），采用埋入壓電晶（jīng）體的渦街測速探頭，插入（rù）大口徑工業管道內，將卡門旋（xuán）渦頻率轉換（huàn）為與流量（liàng）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（liú）體力學的相關知識，從以下幾個方麵進行（háng）探（tàn）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（wēn）度和壓力的函（hán）數。
2.2 流體介質的粘度
先觀察河中水流（liú）動的現象（xiàng），可（kě）以看到河（hé）中央的水流速*快，越（yuè）靠（kào）近岸邊的水流得越慢（màn）。同樣，當流體在管道（dào）中（zhōng）流動時，管道中心的流速*快，越靠近管壁處的流速越慢（màn），這是流體流動時，由（yóu）於流體介質的（de）粘（zhān）度和在管（guǎn）道內部產生摩擦的緣故。
由於流體介質（zhì）的密度（dù）和粘度的關係（xì），一（yī）切流（liú）體（tǐ）介質在（zài）流動時內部各個層麵的速度是不同的。在相鄰（lín）層的接觸麵上（shàng）存在著一（yī）對等值反向（xiàng）的力，速度（dù）較快的流層帶動流層速度較慢的（de）流層，使之加（jiā）快速度；速度較（jiào）慢的流層阻滯速度較（jiào）快的流層（céng）使之減速，這種阻滯力稱之為內摩擦力，流體（tǐ）之間的相互作用稱為（wéi）流（liú）體內摩擦（即：牛頓內摩擦定律），而（ér）粘度（dù）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狀態和流速（sù）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（dòng）時（shí）慣性力和粘性力的無綱（gāng）量參數，其比值如下式給出：
Re=VD/γ（管道為圓（yuán）管時）
式中：V-流動橫截麵的平均流速，單位：米（mǐ） / 秒（m/s）。
D-流動的特性長度為管道（dào）直徑，單位：米（m）。
γ-流體的運動粘度，單位：平方米 / 秒（m 2 /s）。
對於流動介質的斷麵為圓管時，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（jiān）坐標 x、y、z 和時間 t 而變（biàn），則是有（yǒu）規則的光滑曲線，*簡單的情形是直線），如圖 2（a）所示（shì）。
當 Re ＞ Rec 時，管道內流（liú）體（tǐ）為湍流（湍流是流體的不規則運動，流場中各種（zhǒng）量**間和空間坐標發（fā）生紊亂地變化），如圖（tú） 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 實踐當中遇到的實際（jì）難題
根據中華人民共和國機械行業標準（zhǔn）：JB/T9249-2015《煙氣流量計（jì）》進行氣（qì）體（tǐ）渦輪流量（liàng）計的研製與設計。在試驗過程中，因為理論研究不充分，再加（jiā）上經驗不足，采（cǎi）用插入深度是按（àn）照以往其它（tā）產品（插入式電磁流（liú）量計）的經驗，以插入深度為（wéi）現場管道（dào）內徑的 12.5% 進行試驗，其對介質流量的（de）檢測值與同種規格管道法蘭（lán）式結構的煙（yān）氣流量計進（jìn）行比較，偏差值較大、儀表（biǎo）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（shù）據如下（以 DN200 為例）：
氣體渦輪流量計（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：20℃；標定壓（yā）力（lì）：1.0Mpa。
標（biāo）定結論：*大儀表係數 ：2.45N/L ；*小（xiǎo）儀表係數 ：1.743N/L ；*終儀表係數 ：2.0965N/L ；線性誤差（chà） ：16.86% ；重複性誤差 ：0.20%。
對（duì）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（jì）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（xìn）號的探頭結構有問題。
經過分（fèn）析、研究，氣體渦輪流量計的采（cǎi）集信號的（de）探頭結構確定沒有問題。
對氣體渦（wō）輪流量計和插入式電磁流量計的結構原理（lǐ）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（jù）標校管道內層流和湍流的分（fèn）析，以及氣體渦輪（lún）流量計獨特的探（tàn）頭結構（gòu）形式，確（què）定氣體渦輪（lún）流量計的插（chā）入深度為標校管道內 50%，試驗安裝位置和安（ān）裝方法如圖 5 所示。
氣體渦輪流量（liàng）計插入（rù）深度為現場管道內徑的50%時，試驗數據（jù）如下（以 DN200 為例）：
氣體渦輪流量計標校原始記錄，流量（liàng）範圍（wéi） ：（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：*大儀表係數：0.144N/L；*小儀表係數：0.143N/L ；*終儀表（biǎo）係數 ：0.143N/L ；線性誤（wù）差（chà） ：0.23% ；
重複性（xìng）誤差 ：0.20% ；儀表精度 ：0.31%。
4 結論（lùn）
本文提出了一種氣體渦輪（lún）流量計在實（shí）際應用過程（chéng）中，經過該儀表（biǎo）特殊結構分析和根據流體力學（xué）的特性（xìng），對探頭進行優化（huà）設計，以及插（chā）入深度的確定，確保提高其在現場運行過程中（zhōng）的穩定性、準確度等級和抗幹擾能力，充（chōng）分發揮氣（qì）體渦輪流量（liàng）計自有優勢，對該產品質量的提升以及可（kě）操作（zuò）性都具有實質性推動作用，同時配合輔助工具（公司（sī）**產（chǎn）品 ：開孔器和推進、啟拔器）還可實現現（xiàn）場不停產（chǎn）安裝或更換，彌補了法蘭式煙氣流量計體積大、整體重量過大、安裝不便等（děng）現象，為用戶提供了方（fāng）便，特別適用於大管道介質的測量（liàng），其性價比高、適用廣泛。
氣體（tǐ）渦輪流量計使用環境注意事項 氣體渦輪流量計的精度是多少 氣體渦輪流量（liàng）計的（de）型號規（guī）格 氣體渦輪流量計怎樣提高測（cè）量精度 影響氣體渦輪流量計不準原因與處理 氣體渦輪流量計性能特點 氣體渦輪流量計的用途 氣體渦輪流量計在天然氣計量中（zhōng）的應（yīng）用（yòng） 壓（yā）力對氣（qì）體渦（wō）輪流量計的影響（xiǎng） 氣體渦輪流量計的結構組成 液體渦輪和氣體渦輪流（liú）量計（jì）有什麽（me）區別 氣體渦輪流（liú）量計常（cháng）見故（gù）障（zhàng）處理（lǐ） 氣（qì）體渦輪（lún）流量計的工作原理 氣體渦輪流量計的優缺點有（yǒu）哪（nǎ）些 氣體（tǐ）渦輪流量計使用注意事項 氣體渦輪流量計的安裝規範 氣體（tǐ）渦輪（lún）流（liú）量計怎麽維護保養 氣體渦輪流量計如（rú）何正確的選型 氣體渦輪流量計產品結構與工作原理 氣體（tǐ）渦輪流量計產品特點（diǎn）及用途 氣體渦輪流（liú）量計的工作（zuò）原（yuán）理（lǐ）及優化設計 氣體渦（wō）輪流量計標（biāo）準中關於分界流量的規（guī）定與選型應用 氣渦輪流量計的（de）氣體流量（liàng）標準裝置的比對試驗數據分析 高（gāo）溫高產氣井測井氣體渦輪流量計（jì）轉子應用分（fèn）析（xī）
引言（yán）
煙氣流量計均以管道法蘭式結構（gòu）形式在用戶中廣泛使用，但（dàn）其相對價格較高，且隻有在（zài）現場（chǎng）管線停產檢（jiǎn）修時才（cái）能進行安（ān）裝、維護。針對此種情況，研製了插入式渦街量計，因其特殊的結構形式（shì），配合自（zì）主研（yán）發的專用配套工具（公司**產品：開孔器和推進、啟拔器），可（kě）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（jì）出非常好的的探頭形狀、壁厚、高度、探頭杆直徑、發生體的幾何尺寸，和（hé）與之相配套采用並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，普遍適用於大口徑工業管道安裝特（tè）點。采用先進的加工中心進行生產加工各個零部（bù）件，確保各個零（líng）部件的同軸度和表麵粗糙度等加工精度，再（zài）配合熱（rè）處理工藝，從而*大限（xiàn）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（néng）夠（gòu）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（zé）。
1 測量原理
氣體渦（wō）輪（lún）流量計實現流量（liàng）測量的理（lǐ）論（lùn）基礎是流（liú）體（tǐ）力學中**的（de）“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（suǒ）示。當流體沿渦旋發生體繞流時，會在渦旋發生體下遊產生兩列不對（duì）稱，但（dàn）有規律交替地分離（lí）釋放出一（yī）係列漩渦束，隻有當（dāng）兩渦漩（xuán）列之間的（de）距離 h 和同列的（de）兩渦漩之間的距離 L 之比滿（mǎn）足 h/L=0.281 時，所產生（shēng）的渦街（jiē）才是穩定的。
按國際標準化組織 IS07145（在環形截麵封（fēng）閉管道中（zhōng）的流體流量測定--在截麵一點的速度測量法），采用埋入壓電晶（jīng）體的渦街測速探頭，插入（rù）大口徑工業管道內，將卡門旋（xuán）渦頻率轉換（huàn）為與流量（liàng）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（liú）體力學的相關知識，從以下幾個方麵進行（háng）探（tàn）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（wēn）度和壓力的函（hán）數。
2.2 流體介質的粘度
先觀察河中水流（liú）動的現象（xiàng），可（kě）以看到河（hé）中央的水流速*快，越（yuè）靠（kào）近岸邊的水流得越慢（màn）。同樣，當流體在管道（dào）中（zhōng）流動時，管道中心的流速*快，越靠近管壁處的流速越慢（màn），這是流體流動時，由（yóu）於流體介質的（de）粘（zhān）度和在管（guǎn）道內部產生摩擦的緣故。
由於流體介質（zhì）的密度（dù）和粘度的關係（xì），一（yī）切流（liú）體（tǐ）介質在（zài）流動時內部各個層麵的速度是不同的。在相鄰（lín）層的接觸麵上（shàng）存在著一（yī）對等值反向（xiàng）的力，速度（dù）較快的流層帶動流層速度較慢的（de）流層，使之加（jiā）快速度；速度較（jiào）慢的流層阻滯速度較（jiào）快的流層（céng）使之減速，這種阻滯力稱之為內摩擦力，流體（tǐ）之間的相互作用稱為（wéi）流（liú）體內摩擦（即：牛頓內摩擦定律），而（ér）粘度（dù）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狀態和流速（sù）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（dòng）時（shí）慣性力和粘性力的無綱（gāng）量參數，其比值如下式給出：
Re=VD/γ（管道為圓（yuán）管時）
式中：V-流動橫截麵的平均流速，單位：米（mǐ） / 秒（m/s）。
D-流動的特性長度為管道（dào）直徑，單位：米（m）。
γ-流體的運動粘度，單位：平方米 / 秒（m 2 /s）。
對於流動介質的斷麵為圓管時，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（jiān）坐標 x、y、z 和時間 t 而變（biàn），則是有（yǒu）規則的光滑曲線，*簡單的情形是直線），如圖 2（a）所示（shì）。
當 Re ＞ Rec 時，管道內流（liú）體（tǐ）為湍流（湍流是流體的不規則運動，流場中各種（zhǒng）量**間和空間坐標發（fā）生紊亂地變化），如圖（tú） 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 實踐當中遇到的實際（jì）難題
根據中華人民共和國機械行業標準（zhǔn）：JB/T9249-2015《煙氣流量計（jì）》進行氣（qì）體（tǐ）渦輪流量（liàng）計的研製與設計。在試驗過程中，因為理論研究不充分，再加（jiā）上經驗不足，采（cǎi）用插入深度是按（àn）照以往其它（tā）產品（插入式電磁流（liú）量計）的經驗，以插入深度為（wéi）現場管道（dào）內徑的 12.5% 進行試驗，其對介質流量的（de）檢測值與同種規格管道法蘭（lán）式結構的煙（yān）氣流量計進（jìn）行比較，偏差值較大、儀表（biǎo）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（shù）據如下（以 DN200 為例）：
氣體渦輪流量計（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：20℃；標定壓（yā）力（lì）：1.0Mpa。
標（biāo）定結論：*大儀表係數 ：2.45N/L ；*小（xiǎo）儀表係數 ：1.743N/L ；*終儀表係數 ：2.0965N/L ；線性誤差（chà） ：16.86% ；重複性誤差 ：0.20%。
對（duì）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（jì）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（xìn）號的探頭結構有問題。
經過分（fèn）析、研究，氣體渦輪流量計的采（cǎi）集信號的（de）探頭結構確定沒有問題。
對氣體渦（wō）輪流量計和插入式電磁流量計的結構原理（lǐ）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（jù）標校管道內層流和湍流的分（fèn）析，以及氣體渦輪（lún）流量計獨特的探（tàn）頭結構（gòu）形式，確（què）定氣體渦輪（lún）流量計的插（chā）入深度為標校管道內 50%，試驗安裝位置和安（ān）裝方法如圖 5 所示。
氣體渦輪流量（liàng）計插入（rù）深度為現場管道內徑的50%時，試驗數據（jù）如下（以 DN200 為例）：
氣體渦輪流量計標校原始記錄，流量（liàng）範圍（wéi） ：（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：*大儀表係數：0.144N/L；*小儀表係數：0.143N/L ；*終儀表（biǎo）係數 ：0.143N/L ；線性誤（wù）差（chà） ：0.23% ；
重複性（xìng）誤差 ：0.20% ；儀表精度 ：0.31%。
4 結論（lùn）
本文提出了一種氣體渦輪（lún）流量計在實（shí）際應用過程（chéng）中，經過該儀表（biǎo）特殊結構分析和根據流體力學（xué）的特性（xìng），對探頭進行優化（huà）設計，以及插（chā）入深度的確定，確保提高其在現場運行過程中（zhōng）的穩定性、準確度等級和抗幹擾能力，充（chōng）分發揮氣（qì）體渦輪流量（liàng）計自有優勢，對該產品質量的提升以及可（kě）操作（zuò）性都具有實質性推動作用，同時配合輔助工具（公司（sī）**產（chǎn）品 ：開孔器和推進、啟拔器）還可實現現（xiàn）場不停產（chǎn）安裝或更換，彌補了法蘭式煙氣流量計體積大、整體重量過大、安裝不便等（děng）現象，為用戶提供了方（fāng）便，特別適用於大管道介質的測量（liàng），其性價比高、適用廣泛。
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