V锥流量计的探讨
V锥流量计的探讨
1、 V锥流量计及其工作原理
V锥流量计源于美国麦克罗米特( McCrometer) 公司, 因其节流部件呈圆锥形, 英文名称为V- Cone Flowmeter; 引入我国后被称为V锥流量计。
V锥流量计与孔板流量计同属于差压式流量计。其主要的理论基础是密闭管道中能量守恒定律和流动连续性方程, 即伯努力(Bernoulli) 定理。定理的内容是在流量恒定的管段中, 其流体的压力与该管段中流体流速的平方成反比。流体在接近V锥节流件时其压力为p1, 取这一点压力作为参照流速下的基准静压; 当流体流经V锥节流区时, 由于管道截面积变小而流速增大以维持量恒定, 并且在锥体末端取压口处压力降到最小, 引出该处压力作为流速变化量p 2。测取这两处的压力差..p = p 1- p2; 根据伯努力定理, 由..p 即可计算出流速的大小。
2、V锥流量计的特性
V锥流量计与标准孔板流量计相比有更多的优势、更广泛的适用领域。从美国McCrometer 公司的技术资料中可以查阅到大量的实验、标准机构检定和工业应用的报告及记录。本文仅在表2 中列出我国银河仪表有限公司在V锥流量计的研制过程中5 台样表检定结果的部分数据。该项检定是由中国航天集团公司第十一研究所计量室完成的, 这些数据资料都无疑是对以下各项指标、特性的说明。
（1）测量精度
如果不考虑压力传感仪表和二次仪表的误差, V锥流量计和标准孔板流量计一样, 装置本身的不确定度都可以达到.. 0..5%, 符合国标对气体商用计量的要求。
（2） 重复性
V锥流量计的重复性小于.. 0..1%。即使在低雷诺数的非线性段, 测量重复性也非常好。这意味着可以利用数据处理技术进一步扩展流量计的测量范围。标准孔板的复现性包括在不确定度里, 不单列。
（3）量程比
V锥流量计的典型单表量程比是10..1。这项指标比标准孔板流量计的3..1 要宽得多。从表2 可以看出它还能够达到更高的量程比。
（4）节流比系数..( 直径比)
标准V锥装置的.. 值取值范围从0..45 到0..85。标准孔板装置的.. 值取值范围从0..20 到0..75。V锥装置的..值在低端不占优势, 这是因为V锥在管道中心节流, 而在同样空隙的条件下, 周边有效面积要比中心的大。
（5） 雷诺数Re
V锥装置的雷诺数允许范围为5 .. 103~ 1 .. 107。对于角接取压的孔板装置, 当0..20 .. .... 0..45 时, 要求ReD ..5 .. 103; 当..> 0..45 时, 要求ReD ..1 .. 104。对于法兰取压的孔板装置, 要求ReD ..1..26 .. 106 ..2D; 为了与V锥装置对照, 取..= 0..45、D= 0..100m, 则有ReD .. 2..55 .. 104。显然, V锥装置在雷诺数的低端有更加宽阔的工作范围, 从而也解释了为什么V锥流量计的适用领域更广、量程更宽, 尤其是当介质粘度较大, 造成
雷诺数较低时。雷诺数的, 虽然孔板装置可以达到无穷大, 但是对于一般的工厂计量应用来说, 1 .. 107 已经够了。规范对介质在管道中的流速是有限制的, 极少会超过这个数值。
（6）压力损失
由于V锥装置不是采用与流向成直角的立面节流, 避免了正向冲击损失, 所以造成的性压力损失自然就小。此外, V锥装置的信号噪声影响很小( 见3. 10) , 其差压的允许下限值可以更低, 这也是减小压力损失的设计策略之一。从V锥和孔板的压损公式及其曲线图( 如图2 所示) 看, 可以定量地得出V锥的压损是小一点, 但差别不大。孔板压损公式: .. ..= ( 1- ..1..9) ..p V锥压损公式: p loss= (1..3- 1..25..) ..p
（7） 直管段长度
V锥流量计上游需0~ 3D 的直管段, 下游需0~ 1D 的直管段, 或者说包括流量计本体在V整个计量段的长度在7D 之V; 标准孔板流量计上游需10D~ 36D 的直管段, 下游需4D~ 7D 的直管段。V锥装置占优势。这里举两个定量的例子: 一个是若V锥节流装置安装在距上游两个异面90..弯头3D 之外, 所产生的附加误差不超过0..12%; 第二个是当..= 0..5 时, 若安装在距上游50%~ 99%开度的闸阀0D 之外, 所产生的总计量误差不超过.. 0..5%。在实际应用中, 管道V流体的速度几乎不存在象图3 中B 段那样的理想分布。任何管道都不可避免地要布有如弯头、阀门、变径接头、三通接头之类的干扰源, 从而紊乱流速分布, 即如图3 中A 段所示那样, 干扰所有的速度式流量计的精度。传统的解决办法就是加长流量计前后的直管段或增设静态整流器。而V锥节流装置得益于在管道中心布置节流件这种结构, 具有自整流作用, 在流体流近锥体前, 速度分布会朝着平稳流分布的流型变化, 所以大大减小了直管段的长度。
（8）易损部件与使用寿命
这一点和孔板流量计一样, V锥流量计的V部无易损部件, 耐用且免维护。除此之外, V锥的迎流面造型是流线型的, 不象孔板那样有个与流束成直角的锐边, 所以它更经得起含有固体颗粒杂质介质的冲击; 其..值的稳定期和标定间隔要比孔板长得多。
（9）节流区死角
标准孔板节流件是在中心开孔, 周圈节流, 于是在节流件的底部形成一个死角; 尤其是气体介质中的杂质和凝液就会聚集在这里, 特别是当气体湿度较大时, 对测量的影响很大。而V锥这种.. 通扫..式的结构就解决了这个问题。
（10） 信号噪声
如同旋涡流量计的工作原理, 流束中阻挡物的后侧会形成一定频率的旋涡振荡。如果这种振荡频率足够小、幅度足够大, 将会对节流装置的差压信号造成干扰, 影响测量质量。因为V锥装置在迎流面和背流面都采用具有一定导流角的锥面节流, 对压力场的振荡幅度有衰减作用, 因此它造成的旋涡振荡噪声要比孔板的轻得多。前者的信噪比约为1..0..0014, 后者的约为1..0..003。
（11） 标准化机构认可
标准V锥流量计的这一项指标不如标准孔板流量计。后者几乎已经获得范围标准机构的认可, 诸如国际标准化组织、美国气体协会、中国标准化委员会, 等等。V锥流量计的历史要短一些, 目前也获得一些标准化机构的认可, 如加拿大工业部的天然气密闭管输交接认可、美国机械工程师协会的制造认可等。最重要的一点是标准V锥节流装置的选型计算的认可和公开化还有待于向标准孔板节流装置看齐。
