摘要(yao):近年來,對(duì)V 形錐流量(liàng)計 的宣傳(chuán)越來越多(duō)，但很多宣(xuān)傳不夠科(kē)學。爲了更(geng)好地認識(shí)V形錐流量(liang)計,以試驗(yàn)數據和原(yuán)理探讨爲(wei)依據，從安(an)裝所需的(de)前後直管(guan)段長度、量(liang)程比、壓力(lì)損失、适用(yong)領域等方(fāng)面對其進(jìn)行了理性(xìng)、細緻的分(fen)析,證實了(le)該産品在(zai)生産應用(yòng)中仍存在(zai)許多不足(zu)之處。
0引言(yán)
　　V形錐流量(liang)計(又稱 内(nei)錐流量計(ji) 、V錐流量計(jì)等)是美國(guo)McCROMETER公司于20世(shì)紀80年代研(yan)制推向市(shì)場的。由于(yu)V形錐流量(liang)計獨特的(de)結構,決定(ding)了其具有(you)優于孔闆(pǎn)流量計的(de)一些特點(dian)甲,如壓力(li)損失較小(xiao)、安裝所需(xū)的前後直(zhí)管段長度(dù)較短、測量(liàng)信号穩定(dìng)等12])。但是由(you)于V形錐流(liú)量計屬于(yu)非标準節(jie)流裝置,生(shēng)産廠家的(de)結構各不(bú)相同，現場(chang)經驗及試(shi)驗數據尚(shàng)不夠充分(fèn)，它的性能(néng)尚未被完(wán)全掌握。結(jie)合工作中(zhong)積累的經(jing)驗、數據,對(duì)V形錐流量(liang)計的一-些(xie)特點進行(háng)了分析,認(ren)爲無論是(shi)使用單位(wèi),還是生産(chǎn)單位都應(ying)對V形錐流(liu)量計有一(yi)個理性認(ren)識。
1工作原(yuán)理
　　标準節(jie)流裝置(如(ru)孔闆、噴嘴(zuǐ)等)的最小(xiao)流通面是(shì)節流件中(zhong)心的圓孔(kong)，流體通過(guo)時因流通(tōng)面積的突(tū)然減小而(er)加速,V形錐(zhuī)流量計是(shi)在管道中(zhong)心同軸安(ān)裝-一個尖(jian)圓錐體(前(qián)錐體爲<90的(de)銳角,後錐(zhui)體爲>90的鈍(dùn)角)。其流通(tōng)方式由标(biāo)準節流裝(zhuāng)置的中心(xīn)突然收縮(suo)式改爲管(guǎn)壁收縮式(shi),流體通過(guò)V形錐節流(liú)件時，進行(hang)了二次分(fen)配。流體的(de)流動狀态(tài)由原來的(de)“管道中心(xin)流速高、管(guǎn)壁處流速(su)低”逐漸調(diào)整爲“靠近(jin)管壁處流(liu)速高、中間(jian)流速低”，從(cóng)而具備流(liu)動調整器(qì)的效果。
V形(xing)錐流量計(jì)結構如圖(tu)1所示。

　　由圖(tu)1可知,V形錐(zhui)流量計爲(wei)“邊壁收縮(suo)式”節流裝(zhuang)置,正壓取(qu)壓孔開在(zài)測量管壁(bi)上，此處的(de)流體還未(wèi)通過節流(liu)件,負壓取(qǔ)壓孔開在(zài)錐體尾部(bù)。由于測量(liàng)原理同樣(yang)滿足伯努(nu)利方程和(he)流體流動(dòng)連續性方(fang)程,所以V形(xing)錐流量計(jì)與标準節(jiē)流裝置的(de)計算公式(shì)--樣。其計算(suan)公式如下(xia)3]:

　　式中:qm爲流(liu)體的質量(liang)流量，kg/h;C爲流(liu)出系數(經(jing)過實流标(biao)定可知);ε爲(wèi)可膨脹性(xing)系數(對液(ye)體ε=1);β=db/D爲直徑(jing)比，其中d,=√D-d2爲(wèi)工作條件(jian)下節流件(jiàn)最小截面(miàn)處的等效(xiào)流通直徑(jìng)(d爲錐體外(wai)徑,外徑),mm;D爲(wei)工作條件(jiàn)下儀表測(ce)量管的内(nèi)徑,mm;△P爲從節(jiē)流件上、下(xia)遊取壓口(kǒu)處測取的(de)差壓，kPa;ρ爲儀(yí)表安裝處(chu)上遊側工(gōng)作條件下(xià)的流體密(mì)度,kg/m3
2對V形錐(zhuī)流量計特(te)點的分析(xī)
　　V形錐流量(liang)計具有調(diào)整流動狀(zhuàng)态的功能(néng),其壓力損(sun)失小于孔(kong)闆(試驗也(ye)證實了這(zhè)一點),測量(liàng)信号比較(jiào)穩定,量程(chéng)比較寬,安(an)裝所需的(de)前後直管(guǎn)段較短。但(dan)通，過近些(xiē)年來的現(xiàn)場應用發(fā)現,對V形錐(zhui)流量計優(you)點的介紹(shao)有些言過(guo)其實，應對(dui)這些優點(dian)進行理性(xing)分析。
2.1安裝(zhuang)所需的前(qian)後直管段(duan)長度
　　V形錐(zhui)流量計的(de)節流件爲(wei)錐形結構(gou)，當流體通(tōng)過節流件(jiàn)時,節流件(jian)與管壁所(suo)形成的環(huán)形通道面(mian)積逐漸減(jian)小,使流體(tǐ)流速加大(da)、靜壓力降(jiàng)低。流體力(lì)學試驗證(zhèng)明這種流(liu)型可以減(jiǎn)小甚至消(xiāo)除漩渦，相(xiang)當于附加(jiā)了一個流(liú)動調整器(qi)。因此,它可(kě)以在直管(guǎn)段不夠長(zhang)的情況下(xia),較其他節(jiē)流裝置獲(huò)得較高的(de)精度,但所(suo)需的前後(hou):直管段仍(réng)要視具體(tǐ)情況而定(ding),且普遍超(chao)過“以偏概(gai)全”宣稱的(de)前0~3D、後0~1D。印度(dù)德裏工學(xué)院應用力(lì)學系學者(zhe)曾以兩台(tái)内徑D=52mm、等效(xiao)直徑比β分(fen)别爲0.643和0.77的(de)V形錐流量(liang)計爲例,對(dui)該儀表與(yu)上遊擾動(dòng)閘閥V2間相(xiang)隔3種距離(lí)(L爲5D、10D、15D)和閥門(mén)4種開度下(xia)的擾流進(jin)行試驗。試(shì)驗介質爲(wèi)油和水，流(liu)體來自離(lí)地15m的溢流(liú)水槽。試驗(yàn)裝置和試(shi)驗數據如(ru)圖2所示。

　　通過試(shi)驗可知,當(dang)β=0.643、L=5D、閥開度在(zai)25%附近變化(hua)時,受閘閥(fa)影響,流出(chu)系數最大(da),變化約爲(wèi)6%;而當β=0.77、L=5D、閥開(kai)度大于25%時(shi),流出系數(shu)變化高達(da)8%;當L=10D時，流出(chu)系數最大(da)變化也約(yue)有1.7%[41。所以這(zhe)一-試驗論(lùn)證了前置(zhì)閘閥開度(dù)大于25%時,各(gè)種開度下(xià)當要求較(jiao)高測量精(jīng)度時，L=10D尚嫌(xián)不足,而不(bu)是各種情(qing)況下前後(hou)直管段均(jun)爲前0~3D、後0~1D。
　　由(you)此可知,儀(yí)表前有10D以(yǐ)上長的直(zhí)管段才有(you)可能忽略(luè)局部阻力(li)件對測量(liàng)精度的影(yǐng)響。按照GB2624-2006的(de)要求,當β>0.6時(shí),孔闆需要(yao)長度>40D的前(qian)直管段，即(ji)便允許0.5%附(fu)加誤差時(shí),所需的前(qián)直管段也(yě)要>13D。噴嘴所(suǒ)需的前直(zhí)管段較孔(kong)闆短,但長(zhǎng)度至少也(ye)要>18D,與之相(xiang)比,V形錐流(liu)量計可以(yǐ)顯著縮短(duan)直管段長(zhang)度。另外，選(xuan)擇合适的(de)β值可以用(yòng)較短的直(zhí)管段長度(du)克服阻流(liu)件對流出(chū)系數的影(yǐng)響。通過試(shi)驗證明,當(dāng)V形錐流量(liàng)計直徑比(bǐ)β值選擇0.65左(zuǒ)右時,維持(chí)流出系數(shu)不變所需(xū)的直管段(duàn)長度最短(duan)。
　　無論在何(hé)種工作條(tiáo)件下，所需(xu)的前後直(zhi)管段分别(bié)爲0~3D和0~1D,甚至(zhi)不需要前(qian)後直管段(duàn)的宣傳是(shi)不科學的(de),安裝前需(xu)預留足夠(gou)長的前後(hòu)直管段。
2.2量(liang)程比和測(cè)量精度讨(tao)論
　　在對V形(xíng)錐流量計(jì)的宣傳中(zhōng)宣稱其測(ce)量範圍爲(wei)10:1,甚至更寬(kuan),重複性0.1%,不(bú)确定度0.5%,并(bing)提供了幾(ji)個口徑的(de)雷諾數與(yǔ)流出系數(shù)曲線圖,如(ru)圖3所示。在(zai)保證流出(chū)系數不變(bian)(即保證線(xian)性度)的情(qing)況下,V形錐(zhui)流量計的(de)測量範圍(wéi)并未達到(dào)10:1,除去小雷(lei)諾數的點(dian)超差,剩下(xià)的也隻有(you)4倍的範圍(wéi)度。在機械(xiè)工業第十(shí)三計量測(cè)試中心站(zhan)對DN50、DN100和DN300這3種(zhǒng)口徑20台V形(xíng)錐流量計(ji)分别做了(le)試驗。試驗(yan)曲線如圖(tú)3所示。

從圖3可以(yǐ)得出以下(xia)結論
①3種口(kǒu)徑的流量(liàng)計在量程(cheng)比10:1的範圍(wéi)下均沒有(you)做到流出(chu)系數不确(que)定度0.5%
②流出(chu)系數是随(sui)着雷諾數(shù)變化的，它(tā)們之間并(bing)不是簡單(dān)的線性關(guan)系,按照JJG640差(cha)壓式流量(liàng)計檢定規(guī)程,在實流(liú)檢定時隻(zhi)需計算出(chū)每個測量(liang)點流出系(xi)數的重複(fu)性,而不用(yong)計算整個(gè)測量範圍(wei)内流出系(xi)數的線性(xìng)度,流出系(xi)數的不确(què)定度是采(cǎi)用測量範(fan)圍内重複(fú)性最大的(de)測量點來(lái)計算的。現(xiàn)場使用V形(xíng)錐流量計(ji)時，如果隻(zhi)是簡單地(di)采用流量(liàng)範圍内流(liú)出系數的(de)平均值來(lai)計量是不(bú)夠科學的(de),必定會帶(dai)來較大的(de)測量誤差(chà)。另外要想(xiang)做到在10:1的(de)測量範圍(wéi)内達到0.5%的(de)測量精度(du),需要對流(liu)出系數進(jin)行分段線(xian)性化補償(chang),并且要配(pèi)用精度GAP、适(shì)當量程的(de) 差壓變送(sòng)器 。
③V形錐流(liú)量計不适(shì)用于DN50以下(xià)口徑。因爲(wei)口徑越小(xiao)，加工難度(dù)越大,不易(yi)保證加工(gong)精度;另外(wai)口徑越小(xiao)，流出系數(shu)的離散性(xìng)越大，所以(yi)V形錐流量(liang)計的适用(yòng)口徑範圍(wéi)應爲DN100~600。在這(zhe)個口徑範(fan)圍内，節流(liu)件易于保(bao)證加工精(jing)度,也便于(yu)做到實流(liu)檢定,保證(zheng)測量精度(dù)。
④節流裝置(zhì)的測量範(fan)圍一般爲(wèi)(4~5):1,V形錐流量(liàng)計具有流(liú)動調整的(de)功能,流體(tǐ)通過節流(liú)件時産生(sheng)的漩渦小(xiǎo)，流動較孔(kǒng)闆穩定。尤(yóu)其在測量(liang)小流量時(shí)，穩定性尤(you)爲突出，在(zai)流量上限(xiàn)相近的情(qíng)況下,流量(liàng)下限比孔(kong)闆低。所以(yǐ)在保證測(ce)量上限不(bu)變的情況(kuang)下,盡量降(jiàng)低流量測(cè)量下限,并(bing)且配用可(kě)變量程的(de)智能差壓(yā)變送器是(shì)可以提高(gāo)測量範圍(wei)度的。這也(yě)是宣稱V形(xing)錐流量計(jì)量程比能(néng)達到10:1甚至(zhi)更寬的原(yuán)因。
2.3節能效(xiào)果分析
　　V形(xíng)錐流量計(ji)的結構具(ju)有改善流(liu)動方向的(de)作用,這種(zhong)流動在流(liú)體力學試(shì)驗中證明(míng)可以減小(xiao)甚至消除(chú)漩渦[5]。其節(jie)流件沒有(yǒu)銳利的緣(yuan)口,與孔闆(pǎn)類節流裝(zhuang)置相比具(jù)有減小壓(yā)損、節能的(de)效果。但通(tong)過試驗證(zheng)實,其永久(jiǔ)壓力損失(shi)僅比孔闆(pǎn)稍低，所以(yi)V形錐流量(liàng)計并不是(shì)最理想的(de)節能型差(chà)壓式流量(liang)儀表。
2.4适用(yong)領域分析(xi)
　　與孔闆類(lei)節流裝置(zhi)相比,V形錐(zhui)流量計爲(wei)“邊壁收縮(suō)式”結構。當(dāng)測量髒物(wù)介質時,髒(zāng)污不會堆(duī)積在節流(liú)件附近,但(dan)由于負壓(ya)取壓口開(kāi)在錐體尾(wěi)部，管線較(jiào)長且有拐(guai)角，這裏是(shì)髒污易積(ji)聚的區域(yu),雜質很容(róng)易進人負(fù)壓取壓管(guǎn)内部造成(cheng)堵塞。當測(cè)量蒸汽介(jie)質時，停氣(qì)檢修時管(guan)道底部會(huì)存有積水(shuǐ)。恢複通氣(qi)後，在壓力(lì)的推動下(xià)，水的波動(dong)很容易導(dǎo)緻管道的(de)振動。流量(liang)較大時,管(guǎn)道振動劇(jù)烈甚至損(sun)壞節流件(jiàn)造成生産(chǎn)事故。當測(ce)量氣體介(jiè)質時,由于(yú)在錐體的(de)下遊産生(shēng)的是高頻(pin)低幅并成(chéng)對稱分布(bu)的小漩渦(wō)，信号噪聲(shēng)非常低。在(zai)低流量、低(dī)差壓的情(qing)況下,V型錐(zhuī)流量計仍(réng)能保證較(jiao)高的測量(liang)精度和穩(wěn)定性,因此(cǐ)特别适合(hé)于低密度(du)、低流速氣(qì)體的測量(liang)。
　　通過以上(shàng)分析可知(zhi),V形錐流量(liàng)計适合對(duì)低流速液(ye)體介質、低(dī)密度、低流(liu)速氣體介(jiè)質和低流(liú)速的蒸汽(qì)流量計量(liàng),而不适宜(yí)于測量較(jiao)爲髒污的(de)介質和高(gao)流速流體(ti)介質。
2.5流出(chu)系數與可(kě)膨脹性系(xi)數研究
　　V形(xíng)錐流量計(ji)同樣遵循(xún)伯努利方(fang)程和流體(ti)連續性方(fang)程，所以在(zai)測量不可(kě)壓縮流體(ti)時,流出系(xi)數仍可按(an)式(1)通過實(shi)流标定得(de)到,因V形錐(zhui)流量計爲(wèi)非标準節(jiē)流裝置。當(dāng)測量可壓(ya)縮流體時(shí),一般采用(yòng)雷諾數相(xiàng)等的原理(lǐ),在氣體試(shi)驗室或水(shuǐ)流量試驗(yan)室标定出(chū)流出系數(shu)。由于各種(zhǒng)測量介質(zhì)的物性不(bú)同,采用與(yu)測量介.質(zhì)不同的介(jie)質進行實(shi)流标定時(shí)往往忽略(luè)了可膨脹(zhang)性系數對(duì)流出系數(shu)的影響。MeCROMETER公(gong)司分别給(gěi)出了V形錐(zhuī)流量計的(de)可膨脹性(xìng)系數ε和流(liu)出系數C的(de)計算公式(shì)7-8]

3結束語
　　從(cong)安裝所需(xū)的前後直(zhi)管段長度(du)、量程比、壓(yā)力損失和(hé)适用領域(yu)等方面,對(duì)廠家所宣(xuan)傳的V形錐(zhui)流量計的(de)優點做了(le)理性、細緻(zhi)的分析,希(xi)望能夠引(yin)起注意，在(zai)選用V形錐(zhui)流量計時(shi)--定要權衡(heng)其利弊,不(bu)要盲目使(shǐ)用。

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