對V形錐流量計的再認(rèn)識

沈新建 翟小金 王高甫 張彥敏 邵朋誠

(開封儀表有限公司1，河南 開封 475002;開封空分集團(tuán)中環(huán)環(huán)保公司2，河南 開封 475002)

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(jì)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［1］，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［2］。但是由于V形錐流量計屬于非標(biāo)準(zhǔn)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。作者結(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(jìn)行了分析，認(rèn)為無論是使用單位，還是生產(chǎn)單位都應(yīng)對V形錐流量計有一個理性認(rèn)識。

1 工作原理

標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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。

圖1 V形錐流量計結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Simplified diagram of the structure of V-cone flowmeter

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(fù)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(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的計算公式一樣。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(biāo)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;ΔР為從節(jié)流件上、下游取壓口處測取的差壓，kPa;ρ1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(yīng)用發(fā)現(xiàn)，對V形錐流量計優(yōu)點的介紹有些言過其實，我們應(yīng)對這些優(yōu)點進(jìn)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(dāng)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(xué)試驗證明這種流型可以減小甚至消除漩渦，相當(dāng)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)流裝置獲得較高的準(zhǔn)確度，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(xué)院應(yīng)用力學(xué)系學(xué)者曾以兩臺內(nèi)徑D=52 mm、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(jìn)行試驗。試驗介質(zhì)為油和水，流體來自離地15 m的溢流水槽。試驗裝置和試驗數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 試驗裝置圖Fig.2 The experimental device

通過試驗可知，當(dāng) 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(dāng) β=0.77、L=5D、閥開度大于 25%時，流出系數(shù)變化高達(dá)8%;當(dāng)L=10D時，流出系數(shù)最大變化也約有1.7%［4］。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(dāng)要求較高測量準(zhǔn)確度時，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GB 2624-2006的要求，當(dāng)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(dāng)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(xué)的，安裝前需預(yù)留足夠長的前后直管段。

2.2 量程比和測量精度討論

McCROMETER公司在對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(fù)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(dá)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。我公司在機(jī)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。

圖3 雷諾數(shù)與流出系數(shù)關(guān)系曲線圖Fig.3 The relational curves of Reynold and Efflux coefficient

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(guān)系，按照J(rèn)JG 640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(fù)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(fù)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(xué)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(dá)到0.5%的測量精度，需要對流出系數(shù)進(jìn)行分段線性化補(bǔ)償，并且要配用高精度、適當(dāng)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，所以作者認(rèn)為V形錐流量計的適用口徑范圍應(yīng)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高檔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(dá)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(xué)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［6］。

2.4 適用領(lǐng)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(dāng)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(fù)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(jìn)入負(fù)壓取壓管內(nèi)部造成堵塞。當(dāng)測量蒸汽介質(zhì)時，停氣檢修時管道底部會存有積水?；謴?fù)通氣后，在壓力的推動下，水的波動很容易導(dǎo)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(dāng)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(biāo)定得到，因V形錐流量計為非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置。當(dāng)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(biāo)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(jìn)行實流標(biāo)定時往往忽略了可膨脹性系數(shù)對流出系數(shù)的影響。McCROMETER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］:

有研究者對一些技術(shù)資料進(jìn)行分析后，又對式(3)進(jìn)行了修正，添加了與雷諾數(shù)相關(guān)的修正項［8］，并給出了如下計算公式:

3 結(jié)束語

本文從安裝所需的前后直管段長度、量程比、壓力損失和適用領(lǐng)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(xì)致的分析，希望能夠引起讀者的注意，在選用V形錐流量計時一定要權(quán)衡其利弊，不要盲目使用［10］。

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