插入式蒸汽计量表的工作原理及优化设计

摘 要 ：描述插入式蒸汽计量表的工作原理，根据流体力学中**的“卡门涡街”原理进行流量测量，同时根据被测介质流速分布情况，简述涡旋发生体（非线性三角柱形体）以及探头的结构形式；经试验论证了插入式蒸汽计量表在被测管道内正确的插入深度（主要是涡旋发生体和并联方式的四片压电晶体与被测管道的相对位置），从而确定安装现场的通用原则和规范，当配合辅助工具（公司**产品：开孔器和推进、启拔器）还可实现现场不停产安装或更换，弥补了法兰式蒸汽计量表的体积大、整体重量过大、安装不便等不足现象，具有很高的性价比。
引言
蒸汽计量表均以管道法兰式结构形式在用户中广泛使用，但其相对价格较高，且只有在现场管线停产检修时才能进行安装、维护。针对此种情况，研制了插入式涡街量计，因其特殊的结构形式，配合自主研发的专用配套工具（公司**产品：开孔器和推进、启拔器），可实现现场管道在不停产的状态下进行安装或更换插入式蒸汽计量表，该产品造价低廉、抗振性强、无零点漂移、可靠性高。通过长时间对插入式蒸汽计量表进行大量波形分析和频谱分析，设计出非常好的的探头形状、壁厚、高度、探头杆直径、发生体的几何尺寸，和与之相配套采用并联方式的四片压电晶体及插入式蒸汽计量表插入管道的深度，普遍适用于大口径工业管道安装特点。采用先进的加工中心进行生产加工各个零部件，确保各个零部件的同轴度和表面粗糙度等加工精度，再配合热处理工艺，从而*大限度地克服蒸汽计量表存在的固有自振荡频率对信号的影响，其准确度等级能够达到±1% FS 以上，本文主要通过优化设计和试验，确定其插入深度的正确选择。
1 测量原理
插入式蒸汽计量表实现流量测量的理论基础是流体力学中**的“卡门涡街”原理，在流动的流体中装置一个非线性三角柱形体，即涡旋发生体，如图 1 所示。当流体沿涡旋发生体绕流时，会在涡旋发生体下游产生两列不对称，但有规律交替地分离释放出一系列漩涡束，只有当两涡漩列之间的距离 h 和同列的两涡漩之间的距离 L 之比满足 h/L=0.281 时，所产生的涡街才是稳定的。

按国际标准化组织 IS07145（在环形截面封闭管道中的流体流量测定--在截面一点的速度测量法），采用埋入压电晶体的涡街测速探头，插入大口径工业管道内，将卡门旋涡频率转换为与流量成正比的标准信号：（4 ～ 20）mA DC。
2 插入式蒸汽计量表优化设计
根据流体力学的相关知识，从以下几个方面进行探讨与研究：
2.1 流体介质的密度
流体质量不随外界条件变化而变化，但流体体积与温度和压力密切相关。也就是，流体密度是温度和压力的函数。
2.2 流体介质的粘度
先观察河中水流动的现象，可以看到河中央的水流速*快，越靠近岸边的水流得越慢。同样，当流体在管道中流动时，管道中心的流速*快，越靠近管壁处的流速越慢，这是流体流动时，由于流体介质的粘度和在管道内部产生摩擦的缘故。
由于流体介质的密度和粘度的关系，一切流体介质在流动时内部各个层面的速度是不同的。在相邻层的接触面上存在着一对等值反向的力，速度较快的流层带动流层速度较慢的流层，使之加快速度；速度较慢的流层阻滞速度较快的流层使之减速，这种阻滞力称之为内摩擦力，流体之间的相互作用称为流体内摩擦（即：牛顿内摩擦定律），而粘度是内摩擦的量度，是流体反抗变形的能力。
2.3 雷诺数和流态
根据测量管道内流体的流动状态和流速的分布情况，雷诺数是表征流体流动特性的一个重要参数。雷诺数表征了流体流动时惯性力和粘性力的无纲量参数，其比值如下式给出：
Re=VD/γ（管道为圆管时）
式中：V-流动横截面的平均流速，单位：米 / 秒（m/s）。
D-流动的特性长度为管道直径，单位：米（m）。
γ-流体的运动粘度，单位：平方米 / 秒（m 2 /s）。
对于流动介质的断面为圆管时，有一个共同的临界雷诺数 Rec，一般情况下，Rec=2300。
当 Re ＜ Rec 时，管道内流体为层流（层流是流体流动时，如果流体质点的轨迹随初始空间坐标 x、y、z 和时间 t 而变，则是有规则的光滑曲线，*简单的情形是直线），如图 2（a）所示。
当 Re ＞ Rec 时，管道内流体为湍流（湍流是流体的不规则运动，流场中各种量**间和空间坐标发生紊乱地变化），如图 2（b）所示。

根据以上各种参数的分析，*终设计出探头部件，如图 3 所示。

3 实践当中遇到的实际难题
根据中华人民共和国机械行业标准：JB/T9249-2015《蒸汽计量表》进行插入式蒸汽计量表的研制与设计。在试验过程中，因为理论研究不充分，再加上经验不足，采用插入深度是按照以往其它产品（插入式电磁流量计）的经验，以插入深度为现场管道内径的 12.5% 进行试验，其对介质流量的检测值与同种规格管道法兰式结构的蒸汽计量表进行比较，偏差值较大、仪表准确度无法满足设计要求。试验安装位置和安装方法如图 4 所示。


插入式蒸汽计量表插入深度为现场管道内径的 12.5%时，试验数据如下（以 DN200 为例）：
插入式蒸汽计量表标校原始记录， 流量范围 ：（90 ～ 400）m 3 /h；标定介质：水；标定温度：20℃；标定压力：1.0Mpa。
标定结论：*大仪表系数 ：2.45N/L ；*小仪表系数 ：1.743N/L ；*终仪表系数 ：2.0965N/L ；线性误差 ：16.86% ；重复性误差 ：0.20%。
对以上的试验结果与相同规格、型号、量程的法兰式蒸汽计量表相对比，其准确度无法相比。结论 ：插入深度有问题，或插入式蒸汽计量表的采集信号的探头结构有问题。

经过分析、研究，插入式蒸汽计量表的采集信号的探头结构确定没有问题。
对插入式蒸汽计量表和插入式电磁流量计的结构原理进行分析，插入式电磁流量计的信号采集点在标校管道内12.5% 为宜，因它属电磁类流量计，而蒸汽计量表是根据“卡门涡街”原理进行测量管道内流量，根据标校管道内层流和湍流的分析，以及插入式蒸汽计量表独特的探头结构形式，确定插入式蒸汽计量表的插入深度为标校管道内 50%，试验安装位置和安装方法如图 5 所示。

插入式蒸汽计量表插入深度为现场管道内径的50%时，试验数据如下（以 DN200 为例）：
插入式蒸汽计量表标校原始记录，流量范围 ：（90 ～ 400）m 3 /h；标定介质：水；标定温度：20℃；标定压力：1.0MPa。
检定结论：*大仪表系数：0.144N/L；*小仪表系数：0.143N/L ；*终仪表系数 ：0.143N/L ；线性误差 ：0.23% ；
重复性误差 ：0.20% ；仪表精度 ：0.31%。
4 结论
本文提出了一种插入式蒸汽计量表在实际应用过程中，经过该仪表特殊结构分析和根据流体力学的特性，对探头进行优化设计，以及插入深度的确定，确保提高其在现场运行过程中的稳定性、准确度等级和抗干扰能力，充分发挥插入式蒸汽计量表自有优势，对该产品质量的提升以及可操作性都具有实质性推动作用，同时配合辅助工具（公司**产品 ：开孔器和推进、启拔器）还可实现现场不停产安装或更换，弥补了法兰式蒸汽计量表体积大、整体重量过大、安装不便等现象，为用户提供了方便，特别适用于大管道介质的测量，其性价比高、适用广泛。