V錐流量計的探討
V錐流量計的探討
1、 V錐流量計及其工作原理
V錐流量計源于美國麥克羅米特( McCrometer) 公司, 因其節流部件呈圓錐形, 英文名稱為V- Cone Flowmeter; 引入我國后被稱為V錐流量計。
V錐流量計與孔板流量計同屬于差壓式流量計。其主要的理論基礎是密閉管道中能量守恒定律和流動連續性方程, 即伯努力(Bernoulli) 定理。定理的內容是在流量恒定的管段中, 其流體的壓力與該管段中流體流速的平方成反比。流體在接近V錐節流件時其壓力為p1, 取這一點壓力作為參照流速下的基準靜壓; 當流體流經V錐節流區時, 由于管道截面積變小而流速增大以維持量恒定, 并且在錐體末端取壓口處壓力降到最小, 引出該處壓力作為流速變化量p 2。測取這兩處的壓力差..p = p 1- p2; 根據伯努力定理, 由..p 即可計算出流速的大小。
2、V錐流量計的特性
V錐流量計與標準孔板流量計相比有更多的優勢、更廣泛的適用領域。從美國McCrometer 公司的技術資料中可以查閱到大量的實驗、標準機構檢定和工業應用的報告及記錄。本文僅在表2 中列出我國銀河儀表有限公司在V錐流量計的研制過程中5 臺樣表檢定結果的部分數據。該項檢定是由中國航天集團公司第十一研究所計量室完成的, 這些數據資料都無疑是對以下各項指標、特性的說明。
（1）測量精度
如果不考慮壓力傳感儀表和二次儀表的誤差, V錐流量計和標準孔板流量計一樣, 裝置本身的不確定度都可以達到.. 0..5%, 符合國標對氣體商用計量的要求。
（2） 重復性
V錐流量計的重復性小于.. 0..1%。即使在低雷諾數的非線性段, 測量重復性也非常好。這意味著可以利用數據處理技術進一步擴展流量計的測量范圍。標準孔板的復現性包括在不確定度里, 不單列。
（3）量程比
V錐流量計的典型單表量程比是10..1。這項指標比標準孔板流量計的3..1 要寬得多。從表2 可以看出它還能夠達到更高的量程比。
（4）節流比系數..( 直徑比)
標準V錐裝置的.. 值取值范圍從0..45 到0..85。標準孔板裝置的.. 值取值范圍從0..20 到0..75。V錐裝置的..值在低端不占優勢, 這是因為V錐在管道中心節流, 而在同樣空隙的條件下, 周邊有效面積要比中心的大。
（5） 雷諾數Re
V錐裝置的雷諾數允許范圍為5 .. 103~ 1 .. 107。對于角接取壓的孔板裝置, 當0..20 .. .... 0..45 時, 要求ReD ..5 .. 103; 當..> 0..45 時, 要求ReD ..1 .. 104。對于法蘭取壓的孔板裝置, 要求ReD ..1..26 .. 106 ..2D; 為了與V錐裝置對照, 取..= 0..45、D= 0..100m, 則有ReD .. 2..55 .. 104。顯然, V錐裝置在雷諾數的低端有更加寬闊的工作范圍, 從而也解釋了為什么V錐流量計的適用領域更廣、量程更寬, 尤其是當介質粘度較大, 造成
雷諾數較低時。雷諾數的, 雖然孔板裝置可以達到無窮大, 但是對于一般的工廠計量應用來說, 1 .. 107 已經夠了。規范對介質在管道中的流速是有限制的, 極少會超過這個數值。
（6）壓力損失
由于V錐裝置不是采用與流向成直角的立面節流, 避免了正向沖擊損失, 所以造成的性壓力損失自然就小。此外, V錐裝置的信號噪聲影響很小( 見3. 10) , 其差壓的允許下限值可以更低, 這也是減小壓力損失的設計策略之一。從V錐和孔板的壓損公式及其曲線圖( 如圖2 所示) 看, 可以定量地得出V錐的壓損是小一點, 但差別不大。孔板壓損公式: .. ..= ( 1- ..1..9) ..p V錐壓損公式: p loss= (1..3- 1..25..) ..p
（7） 直管段長度
V錐流量計上游需0~ 3D 的直管段, 下游需0~ 1D 的直管段, 或者說包括流量計本體在V整個計量段的長度在7D 之V; 標準孔板流量計上游需10D~ 36D 的直管段, 下游需4D~ 7D 的直管段。V錐裝置占優勢。這里舉兩個定量的例子: 一個是若V錐節流裝置安裝在距上游兩個異面90..彎頭3D 之外, 所產生的附加誤差不超過0..12%; 第二個是當..= 0..5 時, 若安裝在距上游50%~ 99%開度的閘閥0D 之外, 所產生的總計量誤差不超過.. 0..5%。在實際應用中, 管道V流體的速度幾乎不存在象圖3 中B 段那樣的理想分布。任何管道都不可避免地要布有如彎頭、閥門、變徑接頭、三通接頭之類的干擾源, 從而紊亂流速分布, 即如圖3 中A 段所示那樣, 干擾所有的速度式流量計的精度。傳統的解決辦法就是加長流量計前后的直管段或增設靜態整流器。而V錐節流裝置得益于在管道中心布置節流件這種結構, 具有自整流作用, 在流體流近錐體前, 速度分布會朝著平穩流分布的流型變化, 所以大大減小了直管段的長度。
（8）易損部件與使用壽命
這一點和孔板流量計一樣, V錐流量計的V部無易損部件, 耐用且免維護。除此之外, V錐的迎流面造型是流線型的, 不象孔板那樣有個與流束成直角的銳邊, 所以它更經得起含有固體顆粒雜質介質的沖擊; 其..值的穩定期和標定間隔要比孔板長得多。
（9）節流區死角
標準孔板節流件是在中心開孔, 周圈節流, 于是在節流件的底部形成一個死角; 尤其是氣體介質中的雜質和凝液就會聚集在這里, 特別是當氣體濕度較大時, 對測量的影響很大。而V錐這種.. 通掃..式的結構就解決了這個問題。
（10） 信號噪聲
如同旋渦流量計的工作原理, 流束中阻擋物的后側會形成一定頻率的旋渦振蕩。如果這種振蕩頻率足夠小、幅度足夠大, 將會對節流裝置的差壓信號造成干擾, 影響測量質量。因為V錐裝置在迎流面和背流面都采用具有一定導流角的錐面節流, 對壓力場的振蕩幅度有衰減作用, 因此它造成的旋渦振蕩噪聲要比孔板的輕得多。前者的信噪比約為1..0..0014, 后者的約為1..0..003。
（11） 標準化機構認可
標準V錐流量計的這一項指標不如標準孔板流量計。后者幾乎已經獲得范圍標準機構的認可, 諸如國際標準化組織、美國氣體協會、中國標準化委員會, 等等。V錐流量計的歷史要短一些, 目前也獲得一些標準化機構的認可, 如加拿大工業部的天然氣密閉管輸交接認可、美國機械工程師協會的制造認可等。最重要的一點是標準V錐節流裝置的選型計算的認可和公開化還有待于向標準孔板節流裝置看齊。
