插入式渦街流量計插入深度的選擇 發(fā)布時間:2020-2-18 10:13:09
摘要:描述插入式渦街流量計的工作原理,根據(jù)流體力學中著名的“卡門渦街”原理進行流量測量,同時根據(jù)被測介質(zhì)流速分布情況,簡述渦旋發(fā)生體(非線性三角柱形體)以及探頭的結(jié)構(gòu)形式;經(jīng)試驗論證了插入式渦街流量計在被測管道內(nèi)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(xiàn)場的通用原則和規(guī)范,彌補了法蘭式渦街流量計的體積大、整體重量過大、安裝不便等不足現(xiàn)象,具有很高的性價比。 0引言 渦街流量計均以管道法蘭式結(jié)構(gòu)形式在用戶中廣泛使用,但其相對價格較高,且只有在現(xiàn)場管線停產(chǎn)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(jié)構(gòu)形式,可實現(xiàn)現(xiàn)場管道在不停產(chǎn)的狀態(tài)下進行安裝或更換插入式渦街流量計,該產(chǎn)品造價低、抗振性強、無零點漂移、可靠性高。通過長時間對插入式渦街流量計進行大量波形分析和頻譜分析,設計出的探頭形狀、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插入式渦街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。采用先進的加工中心進行生產(chǎn)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,從而克服渦街流量計存在的固有自振蕩頻率對信號的影響,其精度等級能夠達到±2.5%FS以上,主要通過優(yōu)化設計和試驗,確定其插入深度的正確選擇。 1測量原理 插入式渦街流量計實現(xiàn)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(fā)生體,如圖1所示[1]。當流體沿渦旋發(fā)生體繞流時,會在渦旋發(fā)生體下游產(chǎn)生兩列不對稱,但有規(guī)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(chǎn)生的渦街才是穩(wěn)定的[2]。 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(nèi),將卡門旋渦頻率轉(zhuǎn)換為與流量成正比的標準信號:(4~20)mADC。 2插入式渦街流量計優(yōu)化設計 根據(jù)流體力學的相關(guān)知識,從以下幾個方面進行探討與研究: 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(shù)。 2.2流體介質(zhì)的粘度 先觀察河中水流動的現(xiàn)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(zhì)的粘度和在管道內(nèi)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)在流動時內(nèi)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(nèi)摩擦力,流體之間的相互作用稱為流體內(nèi)摩擦(即:牛頓內(nèi)摩擦定律),而粘度是內(nèi)摩擦的量度,是流體反抗變形的能力。 2.3雷諾數(shù)和流態(tài)[ 根據(jù)測量管道內(nèi)流體的流動狀態(tài)和流速的分布情況,雷諾數(shù)是表征流體流動特性的一個重要參數(shù)。雷諾數(shù)表征了流體流動時慣性力和粘性力的無綱量參數(shù),其比值如下式給出[1] 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(m2/s)。 對于流動介質(zhì)的斷面為圓管時,有一個共同的臨界雷諾數(shù)Rec,一般情況下,Rec=2300。 當Re<Rec時,管道內(nèi)流體為層流(層流是流體流動時,如果流體質(zhì)點的軌跡隨初始空間坐標x、y、z和時間t而變,則是有規(guī)則的光滑曲線,最簡單的情形是直線),如圖2(a)所示。 根據(jù)以上各種參數(shù)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(jù)中華人民共和國機械行業(yè)標準:JB/T9249-2015《渦街流量計》進行插入式渦街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(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(xiàn)場管道內(nèi)徑的12.5%進行試驗,其對介質(zhì)流量的檢測值與同種規(guī)格管道法蘭式結(jié)構(gòu)的渦街流量計進行比較,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。 插入式渦街流量計插入深度為現(xiàn)場管道內(nèi)徑的12.5%時,試驗數(shù)據(jù)如下(以DN200為例): 插入式渦街流量計標校原始記錄,流量范圍:(90~400)m3/h;標定介質(zhì):水;標定溫度:20℃;標定壓力:1.0Mpa。 標定結(jié)論[3]:最大儀表系數(shù):2.45N/L;最小儀表系數(shù):1.743N/L;最終儀表系數(shù):2.0965N/L;線性誤差:16.86%;重復性誤差:0.20%。 對以上的試驗結(jié)果與相同規(guī)格、型號、量程的法蘭式渦街流量計相對比,其精度無法相比。結(jié)論:插入深度有問題,或插入式渦街流量計的采集信號的探頭結(jié)構(gòu)有問題。 經(jīng)過分析、研究,插入式渦街流量計的采集信號的探頭結(jié)構(gòu)確定沒有問題。 對插入式渦街流量計和插入式電磁流量計的結(jié)構(gòu)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(nèi)12.5%為宜,因它屬電磁類流量計,而渦街流量計是根據(jù)“卡門渦街”原理進行測量管道內(nèi)流量,根據(jù)標校管道內(nèi)層流和湍流的分析,以及插入式渦街流量計獨特的探頭結(jié)構(gòu)形式,確定插入式渦街流量計的插入深度為標校管道內(nèi)50%,試驗安裝位置和安裝方法如圖5所示。 插入式渦街流量計插入深度為現(xiàn)場管道內(nèi)徑的50%時,試驗數(shù)據(jù)如下(以DN200為例): 插入式渦街流量計標校原始記錄,流量范圍:(90~400)m3/h;標定介質(zhì):水;標定溫度:20℃;標定壓力:1.0MPa。 檢定結(jié)論[3]:最大儀表系數(shù):0.144N/L;最小儀表系數(shù):0.143N/L;最終儀表系數(shù):0.143N/L;線性誤差:0.23%;重復性誤差:0.20%;儀表精度:0.31%。 4結(jié)論 一種插入式渦街流量計在實際應用過程中,經(jīng)過該儀表特殊結(jié)構(gòu)分析和根據(jù)流體力學的特性,對探頭進行優(yōu)化設計,以及插入深度的確定,確保提高其在現(xiàn)場運行過程中的穩(wěn)定性、精度等級和抗干擾能力,充分發(fā)揮插入式渦街流量計自有優(yōu)勢,對該產(chǎn)品質(zhì)量的提升以及可操作性都具有實質(zhì)性推動作用,同時配合輔助工具還可實現(xiàn)現(xiàn)場不停產(chǎn)安裝或更換,彌補了法蘭式渦街流量計體積大、整體重量過大、安裝不便等現(xiàn)象,為用戶提供了方便,特別適用于大管道介質(zhì)的測量,其性價比高、適用廣泛。
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