摘要:近年來,對V形錐流量計的宣傳越來越多，但很多宣傳不夠科學。為了更好地認識V形錐流量計,以試驗數(shù)據(jù)和原理探討為依據(jù)，從安裝所需的前后直管段長度、量程比、壓力損失、適用領域等方面對其進行了理性、細致的分析,證實了該產(chǎn)品在生產(chǎn)應用中仍存在許多不足之處。
0引言
V形錐流量計(又稱內(nèi)錐流量計、V錐流量計等)是美國McCROMETER公司于20世紀80年代研制推向市場的。由于V形錐流量計獨特的結(jié)構(gòu),決定了其具有優(yōu)于孔板流量計的一些特點甲,如壓力損失較小、安裝所需的前后直管段長度較短、測量信號穩(wěn)定等12])。但是由于V形錐流量計屬于非標準節(jié)流裝置,生產(chǎn)廠家的結(jié)構(gòu)各不相同，現(xiàn)場經(jīng)驗及試驗數(shù)據(jù)尚不夠充分，它的性能尚未被完全掌握。結(jié)合工作中積累的經(jīng)驗、數(shù)據(jù),對V形錐流量計的一-些特點進行了分析,認為無論是使用單位,還是生產(chǎn)單位都應對V形錐流量計有一個理性認識。
1工作原理
標準節(jié)流裝置(如孔板、噴嘴等)的最小流通面是節(jié)流件中心的圓孔，流體通過時因流通面積的突然減小而加速,V形錐流量計是在管道中心同軸安裝-一個尖圓錐體(前錐體為<90的銳角,后錐體為>90的鈍角)。其流通方式由標準節(jié)流裝置的中心突然收縮式改為管壁收縮式,流體通過V形錐節(jié)流件時，進行了二次分配。流體的流動狀態(tài)由原來的“管道中心流速高、管壁處流速低”逐漸調(diào)整為“靠近管壁處流速高、中間流速低”，從而具備流動調(diào)整器的效果。
V形錐流量計結(jié)構(gòu)如圖1所示。
由圖1可知,V形錐流量計為“邊壁收縮式”節(jié)流裝置,正壓取壓孔開在測量管壁上，此處的流體還未通過節(jié)流件,負壓取壓孔開在錐體尾部。由于測量原理同樣滿足伯努利方程和流體流動連續(xù)性方程,所以V形錐流量計與標準節(jié)流裝置的計算公式--樣。其計算公式如下3]:
式中:qm為流體的質(zhì)量流量，kg/h;C為流出系數(shù)(經(jīng)過實流標定可知);ε為可膨脹性系數(shù)(對液體ε=1);β=db/D為直徑比，其中d,=√D-d2為工作條件下節(jié)流件最小截面處的等效流通直徑(d為錐體外徑,外徑),mm;D為工作條件下儀表測量管的內(nèi)徑,mm;△P為從節(jié)流件上、下游取壓口處測取的差壓，kPa;ρ為儀表安裝處上游側(cè)工作條件下的流體密度,kg/m3
2對V形錐流量計特點的分析
V形錐流量計具有調(diào)整流動狀態(tài)的功能,其壓力損失小于孔板(試驗也證實了這一點),測量信號比較穩(wěn)定,量程比較寬,安裝所需的前后直管段較短。但通，過近些年來的現(xiàn)場應用發(fā)現(xiàn),對V形錐流量計優(yōu)點的介紹有些言過其實，應對這些優(yōu)點進行理性分析。
2.1安裝所需的前后直管段長度
V形錐流量計的節(jié)流件為錐形結(jié)構(gòu)，當流體通過節(jié)流件時,節(jié)流件與管壁所形成的環(huán)形通道面積逐漸減小,使流體流速加大、靜壓力降低。流體力學試驗證明這種流型可以減小甚至消除漩渦，相當于附加了一個流動調(diào)整器。因此,它可以在直管段不夠長的情況下,較其他節(jié)流裝置獲得較高的精度,但所需的前后:直管段仍要視具體情況而定,且普遍超過“以偏概全”宣稱的前0~3D、后0~1D。印度德里工學院應用力學系學者曾以兩臺內(nèi)徑D=52mm、等效直徑比β分別為0.643和0.77的V形錐流量計為例,對該儀表與上游擾動閘閥V2間相隔3種距離(L為5D、10D、15D)和閥門4種開度下的擾流進行試驗。試驗介質(zhì)為油和水，流體來自離地15m的溢流水槽。試驗裝置和試驗數(shù)據(jù)如圖2所示。
通過試驗可知,當β=0.643、L=5D、閥開度在25%附近變化時,受閘閥影響,流出系數(shù)最大,變化約為6%;而當β=0.77、L=5D、閥開度大于25%時,流出系數(shù)變化高達8%;當L=10D時，流出系數(shù)最大變化也約有1.7%[41。所以這一-試驗論證了前置閘閥開度大于25%時,各種開度下當要求較高測量精度時，L=10D尚嫌不足,而不是各種情況下前后直管段均為前0~3D、后0~1D。
由此可知,儀表前有10D以上長的直管段才有可能忽略局部阻力件對測量精度的影響。按照GB2624-2006的要求,當β>0.6時,孔板需要長度>40D的前直管段，即便允許0.5%附加誤差時,所需的前直管段也要>13D。噴嘴所需的前直管段較孔板短,但長度至少也要>18D,與之相比,V形錐流量計可以顯著縮短直管段長度。另外，選擇合適的β值可以用較短的直管段長度克服阻流件對流出系數(shù)的影響。通過試驗證明,當V形錐流量計直徑比β值選擇0.65左右時,維持流出系數(shù)不變所需的直管段長度最短。
無論在何種工作條件下，所需的前后直管段分別為0~3D和0~1D,甚至不需要前后直管段的宣傳是不科學的,安裝前需預留足夠長的前后直管段。
2.2量程比和測量精度討論
在對V形錐流量計的宣傳中宣稱其測量范圍為10:1,甚至更寬,重復性0.1%,不確定度0.5%,并提供了幾個口徑的雷諾數(shù)與流出系數(shù)曲線圖,如圖3所示。在保證流出系數(shù)不變(即保證線性度)的情況下,V形錐流量計的測量范圍并未達到10:1,除去小雷諾數(shù)的點超差,剩下的也只有4倍的范圍度。在機械工業(yè)第十三計量測試中心站對DN50、DN100和DN300這3種口徑20臺V形錐流量計分別做了試驗。試驗曲線如圖3所示。
從圖3可以得出以下結(jié)論
①3種口徑的流量計在量程比10:1的范圍下均沒有做到流出系數(shù)不確定度0.5%
②流出系數(shù)是隨著雷諾數(shù)變化的，它們之間并不是簡單的線性關系,按照JJG640差壓式流量計檢定規(guī)程,在實流檢定時只需計算出每個測量點流出系數(shù)的重復性,而不用計算整個測量范圍內(nèi)流出系數(shù)的線性度,流出系數(shù)的不確定度是采用測量范圍內(nèi)重復性最大的測量點來計算的。現(xiàn)場使用V形錐流量計時，如果只是簡單地采用流量范圍內(nèi)流出系數(shù)的平均值來計量是不夠科學的,必定會帶來較大的測量誤差。另外要想做到在10:1的測量范圍內(nèi)達到0.5%的測量精度,需要對流出系數(shù)進行分段線性化補償,并且要配用精度GAP、適當量程的差壓變送器。
③V形錐流量計不適用于DN50以下口徑。因為口徑越小，加工難度越大,不易保證加工精度;另外口徑越小，流出系數(shù)的離散性越大，所以V形錐流量計的適用口徑范圍應為DN100~600。在這個口徑范圍內(nèi)，節(jié)流件易于保證加工精度,也便于做到實流檢定,保證測量精度。
④節(jié)流裝置的測量范圍一般為(4~5):1,V形錐流量計具有流動調(diào)整的功能,流體通過節(jié)流件時產(chǎn)生的漩渦小，流動較孔板穩(wěn)定。尤其在測量小流量時，穩(wěn)定性尤為突出，在流量上限相近的情況下,流量下限比孔板低。所以在保證測量上限不變的情況下,盡量降低流量測量下限,并且配用可變量程的智能差壓變送器是可以提高測量范圍度的。這也是宣稱V形錐流量計量程比能達到10:1甚至更寬的原因。
2.3節(jié)能效果分析
V形錐流量計的結(jié)構(gòu)具有改善流動方向的作用,這種流動在流體力學試驗中證明可以減小甚至消除漩渦[5]。其節(jié)流件沒有銳利的緣口,與孔板類節(jié)流裝置相比具有減小壓損、節(jié)能的效果。但通過試驗證實,其永久壓力損失僅比孔板稍低，所以V形錐流量計并不是最理想的節(jié)能型差壓式流量儀表。
2.4適用領域分析
與孔板類節(jié)流裝置相比,V形錐流量計為“邊壁收縮式”結(jié)構(gòu)。當測量臟物介質(zhì)時,臟污不會堆積在節(jié)流件附近,但由于負壓取壓口開在錐體尾部，管線較長且有拐角，這里是臟污易積聚的區(qū)域,雜質(zhì)很容易進人負壓取壓管內(nèi)部造成堵塞。當測量蒸汽介質(zhì)時，停氣檢修時管道底部會存有積水。恢復通氣后，在壓力的推動下，水的波動很容易導致管道的振動。流量較大時,管道振動劇烈甚至損壞節(jié)流件造成生產(chǎn)事故。當測量氣體介質(zhì)時,由于在錐體的下游產(chǎn)生的是高頻低幅并成對稱分布的小漩渦，信號噪聲非常低。在低流量、低差壓的情況下,V型錐流量計仍能保證較高的測量精度和穩(wěn)定性,因此特別適合于低密度、低流速氣體的測量。
通過以上分析可知,V形錐流量計適合對低流速液體介質(zhì)、低密度、低流速氣體介質(zhì)和低流速的蒸汽流量計量,而不適宜于測量較為臟污的介質(zhì)和高流速流體介質(zhì)。
2.5流出系數(shù)與可膨脹性系數(shù)研究
V形錐流量計同樣遵循伯努利方程和流體連續(xù)性方程，所以在測量不可壓縮流體時,流出系數(shù)仍可按式(1)通過實流標定得到,因V形錐流量計為非標準節(jié)流裝置。當測量可壓縮流體時,一般采用雷諾數(shù)相等的原理,在氣體試驗室或水流量試驗室標定出流出系數(shù)。由于各種測量介質(zhì)的物性不同,采用與測量介.質(zhì)不同的介質(zhì)進行實流標定時往往忽略了可膨脹性系數(shù)對流出系數(shù)的影響。MeCROMETER公司分別給出了V形錐流量計的可膨脹性系數(shù)ε和流出系數(shù)C的計算公式7-8]
3結(jié)束語
從安裝所需的前后直管段長度、量程比、壓力損失和適用領域等方面,對廠家所宣傳的V形錐流量計的優(yōu)點做了理性、細致的分析,希望能夠引起注意，在選用V形錐流量計時--定要權(quán)衡其利弊,不要盲目使用。
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