摘要:近年來(lai),對V 形錐流量計 的(de)宣傳越來越多，但(dàn)很多宣傳不夠科(ke)學。爲了更好地認(rèn)識V形錐流量計,以(yǐ)試驗數據和原理(li)探讨爲依據，從安(ān)裝所需的前後直(zhí)管段長度、量程比(bǐ)、壓力損失、适用領(lǐng)域等方面對其進(jìn)行了理性、細緻的(de)分析,證實了該産(chan)品在生産應用中(zhōng)仍存在許多不足(zu)之處。
0引言
　　V形錐流(liú)量計(又稱 内錐流(liu)量計 、V錐流量計等(děng))是美國McCROMETER公司于20世(shì)紀80年代研制推向(xiàng)市場的。由于V形錐(zhuī)流量計獨特的結(jie)構,決定了其具有(you)優于孔闆流量計(jì)的一些特點甲,如(rú)壓力損失較小、安(an)裝所需的前後直(zhí)管段長度較短、測(cè)量信号穩定等12])。但(dàn)是由于V形錐流量(liàng)計屬于非标準節(jiē)流裝置,生産廠家(jiā)的結構各不相同(tong)，現場經驗及試驗(yan)數據尚不夠充分(fèn)，它的性能尚未被(bèi)完全掌握。結合工(gōng)作中積累的經驗(yàn)、數據,對V形錐流量(liang)計的一-些特點進(jìn)行了分析,認爲無(wú)論是使用單位,還(hai)是生産單位都應(ying)對V形錐流量計有(yǒu)一個理性認識。
1工(gōng)作原理
　　标準節流(liú)裝置(如孔闆、噴嘴(zui)等)的最小流通面(miàn)是節流件中心的(de)圓孔，流體通過時(shí)因流通面積的突(tu)然減小而加速,V形(xíng)錐流量計是在管(guǎn)道中心同軸安裝(zhuāng)-一個尖圓錐體(前(qian)錐體爲<90的銳角,後(hou)錐體爲>90的鈍角)。其(qi)流通方式由标準(zhun)節流裝置的中心(xīn)突然收縮式改爲(wei)管壁收縮式,流體(ti)通過V形錐節流件(jian)時，進行了二次分(fèn)配。流體的流動狀(zhuang)态由原來的“管道(dao)中心流速高、管壁(bì)處流速低”逐漸調(diao)整爲“靠近管壁處(chu)流速高、中間流速(su)低”，從而具備流動(dòng)調整器的效果。
V形(xíng)錐流量計結構如(ru)圖1所示。

　　由圖1可(ke)知,V形錐流量計爲(wei)“邊壁收縮式”節流(liú)裝置,正壓取壓孔(kong)開在測量管壁上(shang)，此處的流體還未(wei)通過節流件,負壓(ya)取壓孔開在錐體(ti)尾部。由于測量原(yuan)理同樣滿足伯努(nǔ)利方程和流體流(liú)動連續性方程,所(suǒ)以V形錐流量計與(yǔ)标準節流裝置的(de)計算公式--樣。其計(ji)算公式如下3]:

　　式中(zhong):qm爲流體的質量流(liú)量，kg/h;C爲流出系數(經(jing)過實流标定可知(zhī));ε爲可膨脹性系數(shù)(對液體ε=1);β=db/D爲直徑比(bǐ)，其中d,=√D-d2爲工作條件(jiàn)下節流件最小截(jie)面處的等效流通(tōng)直徑(d爲錐體外徑(jìng),外徑),mm;D爲工作條件(jian)下儀表測量管的(de)内徑,mm;△P爲從節流件(jian)上、下遊取壓口處(chu)測取的差壓，kPa;ρ爲儀(yí)表安裝處上遊側(cè)工作條件下的流(liu)體密度,kg/m3
2對V形錐流(liú)量計特點的分析(xi)
　　V形錐流量計具有(you)調整流動狀态的(de)功能,其壓力損失(shi)小于孔闆(試驗也(ye)證實了這一點),測(ce)量信号比較穩定(dìng),量程比較寬,安裝(zhuāng)所需的前後直管(guan)段較短。但通，過近(jìn)些年來的現場應(ying)用發現,對V形錐流(liu)量計優點的介紹(shào)有些言過其實，應(ying)對這些優點進行(hang)理性分析。
2.1安裝所(suǒ)需的前後直管段(duàn)長度
　　V形錐流量計(ji)的節流件爲錐形(xing)結構，當流體通過(guò)節流件時,節流件(jian)與管壁所形成的(de)環形通道面積逐(zhú)漸減小,使流體流(liu)速加大、靜壓力降(jiang)低。流體力學試驗(yàn)證明這種流型可(kě)以減小甚至消除(chu)漩渦，相當于附加(jia)了一個流動調整(zhěng)器。因此,它可以在(zài)直管段不夠長的(de)情況下,較其他節(jiē)流裝置獲得較高(gāo)的精度,但所需的(de)前後:直管段仍要(yào)視具體情況而定(ding),且普遍超過“以偏(piān)概全”宣稱的前0~3D、後(hou)0~1D。印度德裏工學院(yuan)應用力學系學者(zhe)曾以兩台内徑D=52mm、等(deng)效直徑比β分别爲(wèi)0.643和0.77的V形錐流量計(jì)爲例,對該儀表與(yu)上遊擾動閘閥V2間(jian)相隔3種距離(L爲5D、10D、15D)和(he)閥門4種開度下的(de)擾流進行試驗。試(shì)驗介質爲油和水(shuǐ)，流體來自離地15m的(de)溢流水槽。試驗裝(zhuāng)置和試驗數據如(rú)圖2所示。

　　通(tong)過試驗可知,當β=0.643、L=5D、閥(fá)開度在25%附近變化(huà)時,受閘閥影響,流(liu)出系數最大,變化(huà)約爲6%;而當β=0.77、L=5D、閥開度(dù)大于25%時,流出系數(shu)變化高達8%;當L=10D時，流(liu)出系數最大變化(hua)也約有1.7%[41。所以這一(yi)-試驗論證了前置(zhì)閘閥開度大于25%時(shí),各種開度下當要(yào)求較高測量精度(du)時，L=10D尚嫌不足,而不(bu)是各種情況下前(qián)後直管段均爲前(qian)0~3D、後0~1D。
　　由此可知,儀表(biao)前有10D以上長的直(zhi)管段才有可能忽(hu)略局部阻力件對(dui)測量精度的影響(xiang)。按照GB2624-2006的要求,當β>0.6時(shí),孔闆需要長度>40D的(de)前直管段，即便允(yun)許0.5%附加誤差時,所(suo)需的前直管段也(yě)要>13D。噴嘴所需的前(qián)直管段較孔闆短(duǎn),但長度至少也要(yao)>18D,與之相比,V形錐流(liu)量計可以顯著縮(suo)短直管段長度。另(lìng)外，選擇合适的β值(zhí)可以用較短的直(zhi)管段長度克服阻(zǔ)流件對流出系數(shù)的影響。通過試驗(yàn)證明,當V形錐流量(liang)計直徑比β值選擇(ze)0.65左右時,維持流出(chū)系數不變所需的(de)直管段長度最短(duan)。
　　無論在何種工作(zuò)條件下，所需的前(qian)後直管段分别爲(wei)0~3D和0~1D,甚至不需要前(qian)後直管段的宣傳(chuan)是不科學的,安裝(zhuāng)前需預留足夠長(zhǎng)的前後直管段。
2.2量(liàng)程比和測量精度(dù)讨論
　　在對V形錐流(liú)量計的宣傳中宣(xuan)稱其測量範圍爲(wei)10:1,甚至更寬,重複性(xing)0.1%,不确定度0.5%,并提供(gong)了幾個口徑的雷(lei)諾數與流出系數(shù)曲線圖,如圖3所示(shì)。在保證流出系數(shù)不變(即保證線性(xìng)度)的情況下,V形錐(zhui)流量計的測量範(fan)圍并未達到10:1,除去(qù)小雷諾數的點超(chao)差,剩下的也隻有(you)4倍的範圍度。在機(jī)械工業第十三計(ji)量測試中心站對(duì)DN50、DN100和DN300這3種口徑20台V形(xing)錐流量計分别做(zuò)了試驗。試驗曲線(xiàn)如圖3所示。

從圖3可以得出(chu)以下結論
①3種口徑(jìng)的流量計在量程(cheng)比10:1的範圍下均沒(mei)有做到流出系數(shu)不确定度0.5%
②流出系(xi)數是随着雷諾數(shu)變化的，它們之間(jiān)并不是簡單的線(xian)性關系,按照JJG640差壓(yā)式流量計檢定規(guī)程,在實流檢定時(shí)隻需計算出每個(ge)測量點流出系數(shu)的重複性,而不用(yong)計算整個測量範(fan)圍内流出系數的(de)線性度,流出系數(shu)的不确定度是采(cǎi)用測量範圍内重(zhong)複性最大的測量(liàng)點來計算的。現場(chǎng)使用V形錐流量計(ji)時，如果隻是簡單(dan)地采用流量範圍(wéi)内流出系數的平(ping)均值來計量是不(bú)夠科學的,必定會(hui)帶來較大的測量(liang)誤差。另外要想做(zuo)到在10:1的測量範圍(wei)内達到0.5%的測量精(jing)度,需要對流出系(xi)數進行分段線性(xing)化補償,并且要配(pèi)用精度GAP、适當量程(cheng)的 差壓變送器 。
③V形(xing)錐流量計不适用(yòng)于DN50以下口徑。因爲(wèi)口徑越小，加工難(nán)度越大,不易保證(zhèng)加工精度;另外口(kou)徑越小，流出系數(shu)的離散性越大，所(suǒ)以V形錐流量計的(de)适用口徑範圍應(yīng)爲DN100~600。在這個口徑範(fàn)圍内，節流件易于(yu)保證加工精度,也(yě)便于做到實流檢(jiǎn)定,保證測量精度(dù)。
④節流裝置的測量(liàng)範圍一般爲(4~5):1,V形錐(zhui)流量計具有流動(dong)調整的功能,流體(tǐ)通過節流件時産(chǎn)生的漩渦小，流動(dong)較孔闆穩定。尤其(qi)在測量小流量時(shi)，穩定性尤爲突出(chū)，在流量上限相近(jìn)的情況下,流量下(xia)限比孔闆低。所以(yi)在保證測量上限(xian)不變的情況下,盡(jin)量降低流量測量(liàng)下限,并且配用可(kě)變量程的智能差(chà)壓變送器是可以(yǐ)提高測量範圍度(du)的。這也是宣稱V形(xing)錐流量計量程比(bi)能達到10:1甚至更寬(kuān)的原因。
2.3節能效果(guo)分析
　　V形錐流量計(jì)的結構具有改善(shan)流動方向的作用(yòng),這種流動在流體(ti)力學試驗中證明(míng)可以減小甚至消(xiao)除漩渦[5]。其節流件(jian)沒有銳利的緣口(kǒu),與孔闆類節流裝(zhuāng)置相比具有減小(xiao)壓損、節能的效果(guǒ)。但通過試驗證實(shí),其永久壓力損失(shī)僅比孔闆稍低，所(suǒ)以V形錐流量計并(bìng)不是最理想的節(jie)能型差壓式流量(liàng)儀表。
2.4适用領域分(fen)析
　　與孔闆類節流(liu)裝置相比,V形錐流(liu)量計爲“邊壁收縮(suo)式”結構。當測量髒(zāng)物介質時,髒污不(bú)會堆積在節流件(jiàn)附近,但由于負壓(ya)取壓口開在錐體(ti)尾部，管線較長且(qiě)有拐角，這裏是髒(zāng)污易積聚的區域(yù),雜質很容易進人(rén)負壓取壓管内部(bu)造成堵塞。當測量(liàng)蒸汽介質時，停氣(qi)檢修時管道底部(bù)會存有積水。恢複(fu)通氣後，在壓力的(de)推動下，水的波動(dong)很容易導緻管道(dào)的振動。流量較大(dà)時,管道振動劇烈(lie)甚至損壞節流件(jiàn)造成生産事故。當(dang)測量氣體介質時(shi),由于在錐體的下(xià)遊産生的是高頻(pin)低幅并成對稱分(fèn)布的小漩渦，信号(hao)噪聲非常低。在低(di)流量、低差壓的情(qíng)況下,V型錐流量計(jì)仍能保證較高的(de)測量精度和穩定(ding)性,因此特别适合(he)于低密度、低流速(sù)氣體的測量。
　　通過(guò)以上分析可知,V形(xing)錐流量計适合對(dui)低流速液體介質(zhi)、低密度、低流速氣(qi)體介質和低流速(su)的蒸汽流量計量(liàng),而不适宜于測量(liàng)較爲髒污的介質(zhì)和高流速流體介(jie)質。
2.5流出系數與可(kě)膨脹性系數研究(jiū)
　　V形錐流量計同樣(yàng)遵循伯努利方程(cheng)和流體連續性方(fang)程，所以在測量不(bu)可壓縮流體時,流(liu)出系數仍可按式(shì)(1)通過實流标定得(de)到,因V形錐流量計(ji)爲非标準節流裝(zhuang)置。當測量可壓縮(suo)流體時,一般采用(yòng)雷諾數相等的原(yuan)理,在氣體試驗室(shì)或水流量試驗室(shì)标定出流出系數(shu)。由于各種測量介(jie)質的物性不同,采(cǎi)用與測量介.質不(bú)同的介質進行實(shí)流标定時往往忽(hū)略了可膨脹性系(xì)數對流出系數的(de)影響。MeCROMETER公司分别給(gei)出了V形錐流量計(ji)的可膨脹性系數(shù)ε和流出系數C的計(jì)算公式7-8]

3結束語
　　從(cong)安裝所需的前後(hou)直管段長度、量程(cheng)比、壓力損失和适(shì)用領域等方面,對(duì)廠家所宣傳的V形(xíng)錐流量計的優點(dian)做了理性、細緻的(de)分析,希望能夠引(yin)起注意，在選用V形(xing)錐流量計時--定要(yào)權衡其利弊,不要(yao)盲目使用。

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