摘要:近(jin)年來,對V 形(xing)錐流量計(ji) 的宣傳越(yue)來越多，但(dan)很多宣傳(chuan)不夠科學(xue)。爲了更好(hao)地認識V形(xing)錐流量計(ji),以試驗數(shu)據和原理(li)探讨爲依(yi)據，從安裝(zhuang)所需的前(qian)後直管段(duan)長度、量程(cheng)比、壓力損(sun)失、适用領(ling)域等方面(mian)對其進行(hang)了理性、細(xi)緻的分析(xi),證實了該(gai)産品在生(sheng)産應用中(zhong)仍存在許(xu)多不足之(zhi)處。
0引言
　　V形(xing)錐流量計(ji)(又稱 内錐(zhui)流量計 、V錐(zhui)流量計等(deng))是美國McCROMETER公(gong)司于20世紀(ji)80年代研制(zhi)推向市場(chang)的。由于V形(xing)錐流量計(ji)獨特的結(jie)構,決定了(le)其具有優(you)于孔闆流(liu)量計的一(yi)些特點甲(jia),如壓力損(sun)失較小、安(an)裝所需的(de)前後直管(guan)段長度較(jiao)短、測量信(xin)号穩定等(deng)12])。但是由于(yu)V形錐流量(liang)計屬于非(fei)标準節流(liu)裝置,生産(chan)廠家的結(jie)構各不相(xiang)同，現場經(jing)驗及試驗(yan)數據尚不(bu)夠充分，它(ta)的性能尚(shang)未被完全(quan)掌握。結合(he)工作中積(ji)累的經驗(yan)、數據,對V形(xing)錐流量計(ji)的一-些特(te)點進行了(le)分析,認爲(wei)無論是使(shi)用單位,還(hai)是生産單(dan)位都應對(dui)V形錐流量(liang)計有一個(ge)理性認識(shi)。
1工作原理(li)
　　标準節流(liu)裝置(如孔(kong)闆、噴嘴等(deng))的最小流(liu)通面是節(jie)流件中心(xin)的圓孔，流(liu)體通過時(shi)因流通面(mian)積的突然(ran)減小而加(jia)速,V形錐流(liu)量計是在(zai)管道中心(xin)同軸安裝(zhuang)-一個尖圓(yuan)錐體(前錐(zhui)體爲<90的銳(rui)角,後錐體(ti)爲>90的鈍角(jiao))。其流通方(fang)式由标準(zhun)節流裝置(zhi)的中心突(tu)然收縮式(shi)改爲管壁(bi)收縮式,流(liu)體通過V形(xing)錐節流件(jian)時，進行了(le)二次分配(pei)。流體的流(liu)動狀态由(you)原來的“管(guan)道中心流(liu)速高、管壁(bi)處流速低(di)”逐漸調整(zheng)爲“靠近管(guan)壁處流速(su)高、中間流(liu)速低”，從而(er)具備流動(dong)調整器的(de)效果。
V形錐(zhui)流量計結(jie)構如圖1所(suo)示。

　　由圖1可(ke)知,V形錐流(liu)量計爲“邊(bian)壁收縮式(shi)”節流裝置(zhi),正壓取壓(ya)孔開在測(ce)量管壁上(shang)，此處的流(liu)體還未通(tong)過節流件(jian),負壓取壓(ya)孔開在錐(zhui)體尾部。由(you)于測量原(yuan)理同樣滿(man)足伯努利(li)方程和流(liu)體流動連(lian)續性方程(cheng),所以V形錐(zhui)流量計與(yu)标準節流(liu)裝置的計(ji)算公式--樣(yang)。其計算公(gong)式如下3]:

　　式(shi)中:qm爲流體(ti)的質量流(liu)量，kg/h;C爲流出(chu)系數(經過(guo)實流标定(ding)可知);ε爲可(ke)膨脹性系(xi)數(對液體(ti)ε=1);β=db/D爲直徑比(bi)，其中d,=√D-d2爲工(gong)作條件下(xia)節流件最(zui)小截面處(chu)的等效流(liu)通直徑(d爲(wei)錐體外徑(jing),外徑),mm;D爲工(gong)作條件下(xia)儀表測量(liang)管的内徑(jing),mm;△P爲從節流(liu)件上、下遊(you)取壓口處(chu)測取的差(cha)壓，kPa;ρ爲儀表(biao)安裝處上(shang)遊側工作(zuo)條件下的(de)流體密度(du),kg/m3
2對V形錐流(liu)量計特點(dian)的分析
　　V形(xing)錐流量計(ji)具有調整(zheng)流動狀态(tai)的功能,其(qi)壓力損失(shi)小于孔闆(pan)(試驗也證(zheng)實了這一(yi)點),測量信(xin)号比較穩(wen)定,量程比(bi)較寬,安裝(zhuang)所需的前(qian)後直管段(duan)較短。但通(tong)，過近些年(nian)來的現場(chang)應用發現(xian),對V形錐流(liu)量計優點(dian)的介紹有(you)些言過其(qi)實，應對這(zhe)些優點進(jin)行理性分(fen)析。
2.1安裝所(suo)需的前後(hou)直管段長(zhang)度
　　V形錐流(liu)量計的節(jie)流件爲錐(zhui)形結構，當(dang)流體通過(guo)節流件時(shi),節流件與(yu)管壁所形(xing)成的環形(xing)通道面積(ji)逐漸減小(xiao),使流體流(liu)速加大、靜(jing)壓力降低(di)。流體力學(xue)試驗證明(ming)這種流型(xing)可以減小(xiao)甚至消除(chu)漩渦，相當(dang)于附加了(le)一個流動(dong)調整器。因(yin)此,它可以(yi)在直管段(duan)不夠長的(de)情況下,較(jiao)其他節流(liu)裝置獲得(de)較高的精(jing)度,但所需(xu)的前後:直(zhi)管段仍要(yao)視具體情(qing)況而定,且(qie)普遍超過(guo)“以偏概全(quan)”宣稱的前(qian)0~3D、後0~1D。印度德(de)裏工學院(yuan)應用力學(xue)系學者曾(ceng)以兩台内(nei)徑D=52mm、等效直(zhi)徑比β分别(bie)爲0.643和0.77的V形(xing)錐流量計(ji)爲例,對該(gai)儀表與上(shang)遊擾動閘(zha)閥V2間相隔(ge)3種距離(L爲(wei)5D、10D、15D)和閥門4種(zhong)開度下的(de)擾流進行(hang)試驗。試驗(yan)介質爲油(you)和水，流體(ti)來自離地(di)15m的溢流水(shui)槽。試驗裝(zhuang)置和試驗(yan)數據如圖(tu)2所示。

　　通過試驗(yan)可知,當β=0.643、L=5D、閥(fa)開度在25%附(fu)近變化時(shi),受閘閥影(ying)響,流出系(xi)數最大,變(bian)化約爲6%;而(er)當β=0.77、L=5D、閥開度(du)大于25%時,流(liu)出系數變(bian)化高達8%;當(dang)L=10D時，流出系(xi)數最大變(bian)化也約有(you)1.7%[41。所以這一(yi)-試驗論證(zheng)了前置閘(zha)閥開度大(da)于25%時,各種(zhong)開度下當(dang)要求較高(gao)測量精度(du)時，L=10D尚嫌不(bu)足,而不是(shi)各種情況(kuang)下前後直(zhi)管段均爲(wei)前0~3D、後0~1D。
　　由此(ci)可知,儀表(biao)前有10D以上(shang)長的直管(guan)段才有可(ke)能忽略局(ju)部阻力件(jian)對測量精(jing)度的影響(xiang)。按照GB2624-2006的要(yao)求,當β>0.6時,孔(kong)闆需要長(zhang)度>40D的前直(zhi)管段，即便(bian)允許0.5%附加(jia)誤差時,所(suo)需的前直(zhi)管段也要(yao)>13D。噴嘴所需(xu)的前直管(guan)段較孔闆(pan)短,但長度(du)至少也要(yao)>18D,與之相比(bi),V形錐流量(liang)計可以顯(xian)著縮短直(zhi)管段長度(du)。另外，選擇(ze)合适的β值(zhi)可以用較(jiao)短的直管(guan)段長度克(ke)服阻流件(jian)對流出系(xi)數的影響(xiang)。通過試驗(yan)證明,當V形(xing)錐流量計(ji)直徑比β值(zhi)選擇0.65左右(you)時,維持流(liu)出系數不(bu)變所需的(de)直管段長(zhang)度最短。
　　無(wu)論在何種(zhong)工作條件(jian)下，所需的(de)前後直管(guan)段分别爲(wei)0~3D和0~1D,甚至不(bu)需要前後(hou)直管段的(de)宣傳是不(bu)科學的,安(an)裝前需預(yu)留足夠長(zhang)的前後直(zhi)管段。
2.2量程(cheng)比和測量(liang)精度讨論(lun)
　　在對V形錐(zhui)流量計的(de)宣傳中宣(xuan)稱其測量(liang)範圍爲10:1,甚(shen)至更寬,重(zhong)複性0.1%,不确(que)定度0.5%,并提(ti)供了幾個(ge)口徑的雷(lei)諾數與流(liu)出系數曲(qu)線圖,如圖(tu)3所示。在保(bao)證流出系(xi)數不變(即(ji)保證線性(xing)度)的情況(kuang)下,V形錐流(liu)量計的測(ce)量範圍并(bing)未達到10:1,除(chu)去小雷諾(nuo)數的點超(chao)差,剩下的(de)也隻有4倍(bei)的範圍度(du)。在機械工(gong)業第十三(san)計量測試(shi)中心站對(dui)DN50、DN100和DN300這3種口(kou)徑20台V形錐(zhui)流量計分(fen)别做了試(shi)驗。試驗曲(qu)線如圖3所(suo)示。

從(cong)圖3可以得(de)出以下結(jie)論
①3種口徑(jing)的流量計(ji)在量程比(bi)10:1的範圍下(xia)均沒有做(zuo)到流出系(xi)數不确定(ding)度0.5%
②流出系(xi)數是随着(zhe)雷諾數變(bian)化的，它們(men)之間并不(bu)是簡單的(de)線性關系(xi),按照JJG640差壓(ya)式流量計(ji)檢定規程(cheng),在實流檢(jian)定時隻需(xu)計算出每(mei)個測量點(dian)流出系數(shu)的重複性(xing),而不用計(ji)算整個測(ce)量範圍内(nei)流出系數(shu)的線性度(du),流出系數(shu)的不确定(ding)度是采用(yong)測量範圍(wei)内重複性(xing)最大的測(ce)量點來計(ji)算的。現場(chang)使用V形錐(zhui)流量計時(shi)，如果隻是(shi)簡單地采(cai)用流量範(fan)圍内流出(chu)系數的平(ping)均值來計(ji)量是不夠(gou)科學的,必(bi)定會帶來(lai)較大的測(ce)量誤差。另(ling)外要想做(zuo)到在10:1的測(ce)量範圍内(nei)達到0.5%的測(ce)量精度,需(xu)要對流出(chu)系數進行(hang)分段線性(xing)化補償,并(bing)且要配用(yong)精度GAP、适當(dang)量程的 差(cha)壓變送器(qi) 。
③V形錐流量(liang)計不适用(yong)于DN50以下口(kou)徑。因爲口(kou)徑越小，加(jia)工難度越(yue)大,不易保(bao)證加工精(jing)度;另外口(kou)徑越小，流(liu)出系數的(de)離散性越(yue)大，所以V形(xing)錐流量計(ji)的适用口(kou)徑範圍應(ying)爲DN100~600。在這個(ge)口徑範圍(wei)内，節流件(jian)易于保證(zheng)加工精度(du),也便于做(zuo)到實流檢(jian)定,保證測(ce)量精度。
④節(jie)流裝置的(de)測量範圍(wei)一般爲(4~5):1,V形(xing)錐流量計(ji)具有流動(dong)調整的功(gong)能,流體通(tong)過節流件(jian)時産生的(de)漩渦小，流(liu)動較孔闆(pan)穩定。尤其(qi)在測量小(xiao)流量時，穩(wen)定性尤爲(wei)突出，在流(liu)量上限相(xiang)近的情況(kuang)下,流量下(xia)限比孔闆(pan)低。所以在(zai)保證測量(liang)上限不變(bian)的情況下(xia),盡量降低(di)流量測量(liang)下限,并且(qie)配用可變(bian)量程的智(zhi)能差壓變(bian)送器是可(ke)以提高測(ce)量範圍度(du)的。這也是(shi)宣稱V形錐(zhui)流量計量(liang)程比能達(da)到10:1甚至更(geng)寬的原因(yin)。
2.3節能效果(guo)分析
　　V形錐(zhui)流量計的(de)結構具有(you)改善流動(dong)方向的作(zuo)用,這種流(liu)動在流體(ti)力學試驗(yan)中證明可(ke)以減小甚(shen)至消除漩(xuan)渦[5]。其節流(liu)件沒有銳(rui)利的緣口(kou),與孔闆類(lei)節流裝置(zhi)相比具有(you)減小壓損(sun)、節能的效(xiao)果。但通過(guo)試驗證實(shi),其永久壓(ya)力損失僅(jin)比孔闆稍(shao)低，所以V形(xing)錐流量計(ji)并不是最(zui)理想的節(jie)能型差壓(ya)式流量儀(yi)表。
2.4适用領(ling)域分析
　　與(yu)孔闆類節(jie)流裝置相(xiang)比,V形錐流(liu)量計爲“邊(bian)壁收縮式(shi)”結構。當測(ce)量髒物介(jie)質時,髒污(wu)不會堆積(ji)在節流件(jian)附近,但由(you)于負壓取(qu)壓口開在(zai)錐體尾部(bu)，管線較長(zhang)且有拐角(jiao)，這裏是髒(zang)污易積聚(ju)的區域,雜(za)質很容易(yi)進人負壓(ya)取壓管内(nei)部造成堵(du)塞。當測量(liang)蒸汽介質(zhi)時，停氣檢(jian)修時管道(dao)底部會存(cun)有積水。恢(hui)複通氣後(hou)，在壓力的(de)推動下，水(shui)的波動很(hen)容易導緻(zhi)管道的振(zhen)動。流量較(jiao)大時,管道(dao)振動劇烈(lie)甚至損壞(huai)節流件造(zao)成生産事(shi)故。當測量(liang)氣體介質(zhi)時,由于在(zai)錐體的下(xia)遊産生的(de)是高頻低(di)幅并成對(dui)稱分布的(de)小漩渦，信(xin)号噪聲非(fei)常低。在低(di)流量、低差(cha)壓的情況(kuang)下,V型錐流(liu)量計仍能(neng)保證較高(gao)的測量精(jing)度和穩定(ding)性,因此特(te)别适合于(yu)低密度、低(di)流速氣體(ti)的測量。
　　通(tong)過以上分(fen)析可知,V形(xing)錐流量計(ji)适合對低(di)流速液體(ti)介質、低密(mi)度、低流速(su)氣體介質(zhi)和低流速(su)的蒸汽流(liu)量計量,而(er)不适宜于(yu)測量較爲(wei)髒污的介(jie)質和高流(liu)速流體介(jie)質。
2.5流出系(xi)數與可膨(peng)脹性系數(shu)研究
　　V形錐(zhui)流量計同(tong)樣遵循伯(bo)努利方程(cheng)和流體連(lian)續性方程(cheng)，所以在測(ce)量不可壓(ya)縮流體時(shi),流出系數(shu)仍可按式(shi)(1)通過實流(liu)标定得到(dao),因V形錐流(liu)量計爲非(fei)标準節流(liu)裝置。當測(ce)量可壓縮(suo)流體時,一(yi)般采用雷(lei)諾數相等(deng)的原理,在(zai)氣體試驗(yan)室或水流(liu)量試驗室(shi)标定出流(liu)出系數。由(you)于各種測(ce)量介質的(de)物性不同(tong),采用與測(ce)量介.質不(bu)同的介質(zhi)進行實流(liu)标定時往(wang)往忽略了(le)可膨脹性(xing)系數對流(liu)出系數的(de)影響。MeCROMETER公司(si)分别給出(chu)了V形錐流(liu)量計的可(ke)膨脹性系(xi)數ε和流出(chu)系數C的計(ji)算公式7-8]

3結(jie)束語
　　從安(an)裝所需的(de)前後直管(guan)段長度、量(liang)程比、壓力(li)損失和适(shi)用領域等(deng)方面,對廠(chang)家所宣傳(chuan)的V形錐流(liu)量計的優(you)點做了理(li)性、細緻的(de)分析,希望(wang)能夠引起(qi)注意，在選(xuan)用V形錐流(liu)量計時--定(ding)要權衡其(qi)利弊,不要(yao)盲目使用(yong)。

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