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      工程設(shè)計(jì)中插入式渦街流量計(jì)插入深度的選擇

      2020-02-14 08:49:50吳美景祁宏麗馬立偉
      儀器儀表用戶 2020年2期
      關(guān)鍵詞:渦街插入式儀表

      吳美景,祁宏麗,馬立偉

      (承德菲時(shí)博特自動(dòng)化設(shè)備有限公司,河北 承德 067000)

      0 引言

      渦街流量計(jì)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(duì)價(jià)格較高,且只有在現(xiàn)場(chǎng)管線停產(chǎn)檢修時(shí)才能進(jìn)行安裝、維護(hù)。針對(duì)此種情況,研制了插入式渦街量計(jì),因其特殊的結(jié)構(gòu)形式,配合自主研發(fā)的專用配套工具(公司專利產(chǎn)品:開孔器和推進(jìn)、啟拔器),可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)管道在不停產(chǎn)的狀態(tài)下進(jìn)行安裝或更換插入式渦街流量計(jì),該產(chǎn)品造價(jià)低廉、抗振性強(qiáng)、無(wú)零點(diǎn)漂移、可靠性高。通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間對(duì)插入式渦街流量計(jì)進(jìn)行大量波形分析和頻譜分析,設(shè)計(jì)出最佳的探頭形狀、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(jì)插入管道的深度,普遍適用于大口徑工業(yè)管道安裝特點(diǎn)。采用先進(jìn)的加工中心進(jìn)行生產(chǎn)加工各個(gè)零部件,確保各個(gè)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渦街流量計(jì)存在的固有自振蕩頻率對(duì)信號(hào)的影響,其準(zhǔn)確度等級(jí)能夠達(dá)到±1% FS 以上,本文主要通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)和試驗(yàn),確定其插入深度的正確選擇。

      圖1 卡門渦街原理圖Fig.1 Carmen vortex street schematic diagram

      1 測(cè)量原理

      插入式渦街流量計(jì)實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量的理論基礎(chǔ)是流體力學(xué)中著名的“卡門渦街”原理,在流動(dòng)的流體中裝置一個(gè)非線性三角柱形體,即渦旋發(fā)生體,如圖1 所示[1]。當(dāng)流體沿渦旋發(fā)生體繞流時(shí),會(huì)在渦旋發(fā)生體下游產(chǎn)生兩列不對(duì)稱,但有規(guī)律交替地分離釋放出一系列漩渦束,只有當(dāng)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(shí),所產(chǎn)生的渦街才是穩(wěn)定的[2]。

      按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織IS07145(在環(huán)形截面封閉管道中的流體流量測(cè)定——在截面一點(diǎn)的速度測(cè)量法),采用埋入壓電晶體的渦街測(cè)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(biāo)準(zhǔn)信號(hào):(4 ~20)mA DC。

      2 插入式渦街流量計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)

      根據(jù)流體力學(xué)的相關(guān)知識(shí),從以下幾個(gè)方面進(jìn)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

      圖2 流速分布圖Fig.2 Flow velocity distribution

      先觀察河中水流動(dòng)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(dāng)流體在管道中流動(dòng)時(shí),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(dòng)時(shí),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(dòng)時(shí)內(nèi)部各個(gè)層面的速度是不同的。在相鄰層的接觸面上存在著一對(duì)等值反向的力,速度較快的流層帶動(dòng)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)[2]

      根據(jù)測(cè)量管道內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)和流速的分布情況,雷諾數(shù)是表征流體流動(dòng)特性的一個(gè)重要參數(shù)。雷諾數(shù)表征了流體流動(dòng)時(shí)慣性力和粘性力的無(wú)綱量參數(shù),其比值如下式給出[1]:

      Re=VD/γ(管道為圓管時(shí))

      式中:V—流動(dòng)橫截面的平均流速,單位:米/秒(m/s)。

      D—流動(dòng)的特性長(zhǎng)度為管道直徑,單位:米(m)。

      γ—流體的運(yùn)動(dòng)粘度,單位:平方米/秒(m2/s)。

      對(duì)于流動(dòng)介質(zhì)的斷面為圓管時(shí),有一個(gè)共同的臨界雷諾數(shù)Rec,一般情況下,Rec=2300。

      當(dāng)Re <Rec 時(shí),管道內(nèi)流體為層流(層流是流體流動(dòng)時(shí),如果流體質(zhì)點(diǎn)的軌跡隨初始空間坐標(biāo)x、y、z 和時(shí)間t 而變,則是有規(guī)則的光滑曲線,最簡(jiǎn)單的情形是直線),如圖2(a)所示。

      當(dāng)Re >Rec 時(shí),管道內(nèi)流體為湍流(湍流是流體的不規(guī)則運(yùn)動(dòng),流場(chǎng)中各種量隨時(shí)間和空間坐標(biāo)發(fā)生紊亂地變化),如圖2(b)所示。

      根據(jù)以上各種參數(shù)的分析,最終設(shè)計(jì)出探頭部件,如圖3 所示。

      3 實(shí)踐當(dāng)中遇到的實(shí)際難題

      圖3 探頭部件圖Fig.3 Probe components

      圖4 試驗(yàn)安裝位置和安裝方法(12.5%)Fig.4 Test installation position and installation method

      表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)—插入深度為現(xiàn)場(chǎng)管道內(nèi)徑12.5%Table 1 Test data-insertion depth is 12.5% of the inner diameter of the pipeline

      根據(jù)中華人民共和國(guó)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn):JB/T9249-2015《渦街流量計(jì)》進(jìn)行插入式渦街流量計(jì)的研制與設(shè)計(jì)。在試驗(yàn)過(guò)程中,因?yàn)槔碚撗芯坎怀浞?,再加上?jīng)驗(yàn)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(jì))的經(jīng)驗(yàn),以插入深度為現(xiàn)場(chǎng)管道內(nèi)徑的12.5%進(jìn)行試驗(yàn),其對(duì)介質(zhì)流量的檢測(cè)值與同種規(guī)格管道法蘭式結(jié)構(gòu)的渦街流量計(jì)進(jìn)行比較,偏差值較大、儀表準(zhǔn)確度無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)安裝位置和安裝方法如圖4 所示。

      插入式渦街流量計(jì)插入深度為現(xiàn)場(chǎng)管道內(nèi)徑的12.5%時(shí),試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下(以DN200 為例):

      插入式渦街流量計(jì)標(biāo)校原始記錄,流量范圍:(90 ~400)m3/h;標(biāo)定介質(zhì):水;標(biāo)定溫度:20℃;標(biāo)定壓力:1.0Mpa。

      標(biāo)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(fù)性誤差:0.20%。

      對(duì)以上的試驗(yàn)結(jié)果與相同規(guī)格、型號(hào)、量程的法蘭式渦街流量計(jì)相對(duì)比,其準(zhǔn)確度無(wú)法相比。結(jié)論:插入深度有問題,或插入式渦街流量計(jì)的采集信號(hào)的探頭結(jié)構(gòu)有問題。

      表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)—插入深度為現(xiàn)場(chǎng)管道內(nèi)徑50%Table 2 Test data—the insertion depth is 50% of the inner diameter of the pipeline on site

      經(jīng)過(guò)分析、研究,插入式渦街流量計(jì)的采集信號(hào)的探頭結(jié)構(gòu)確定沒有問題。

      對(duì)插入式渦街流量計(jì)和插入式電磁流量計(jì)的結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行分析,插入式電磁流量計(jì)的信號(hào)采集點(diǎn)在標(biāo)校管道內(nèi)12.5%為宜,因它屬電磁類流量計(jì),而渦街流量計(jì)是根據(jù)“卡門渦街”原理進(jìn)行測(cè)量管道內(nèi)流量,根據(jù)標(biāo)校管道內(nèi)層流和湍流的分析,以及插入式渦街流量計(jì)獨(dú)特的探頭結(jié)構(gòu)形式,確定插入式渦街流量計(jì)的插入深度為標(biāo)校管道內(nèi)50%,試驗(yàn)安裝位置和安裝方法如圖5 所示。

      插入式渦街流量計(jì)插入深度為現(xiàn)場(chǎng)管道內(nèi)徑的50%時(shí),試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下(以DN200 為例):

      插入式渦街流量計(jì)標(biāo)校原始記錄,流量范圍:(90 ~400)m3/h;標(biāo)定介質(zhì):水;標(biāo)定溫度:20℃;標(biāo)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(fù)性誤差:0.20%;儀表精度:0.31%。

      4 結(jié)論

      本文提出了一種插入式渦街流量計(jì)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,經(jīng)過(guò)該儀表特殊結(jié)構(gòu)分析和根據(jù)流體力學(xué)的特性,對(duì)探頭進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),以及插入深度的確定,確保提高其在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確度等級(jí)和抗干擾能力,充分發(fā)揮插入式渦街流量計(jì)自有優(yōu)勢(shì),對(duì)該產(chǎn)品質(zhì)量的提升以及可操作性都具有實(shí)質(zhì)性推動(dòng)作用,同時(shí)配合輔助工具(公司專利產(chǎn)品:開孔器和推進(jìn)、啟拔器)還可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)不停產(chǎn)安裝或更換,彌補(bǔ)了法蘭式渦街流量計(jì)體積大、整體重量過(guò)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(cè)量,其性價(jià)比高、適用廣泛。

      圖5 試驗(yàn)安裝位置和安裝方法(50%)Fig.5 Experimental installation location and installation method

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