V錐流量計(jì)的探討
V錐流量計(jì)的探討
1、 V錐流量計(jì)及其工作原理
V錐流量計(jì)源于美國(guó)麥克羅米特( McCrometer) 公司, 因其節(jié)流部件呈圓錐形, 英文名稱為V- Cone Flowmeter; 引入我國(guó)后被稱為V錐流量計(jì)。
V錐流量計(jì)與孔板流量計(jì)同屬于差壓式流量計(jì)。其主要的理論基礎(chǔ)是密閉管道中能量守恒定律和流動(dòng)連續(xù)性方程, 即伯努力(Bernoulli) 定理。定理的內(nèi)容是在流量恒定的管段中, 其流體的壓力與該管段中流體流速的平方成反比。流體在接近V錐節(jié)流件時(shí)其壓力為p1, 取這一點(diǎn)壓力作為參照流速下的基準(zhǔn)靜壓; 當(dāng)流體流經(jīng)V錐節(jié)流區(qū)時(shí), 由于管道截面積變小而流速增大以維持量恒定, 并且在錐體末端取壓口處壓力降到最小, 引出該處壓力作為流速變化量p 2。測(cè)取這兩處的壓力差..p = p 1- p2; 根據(jù)伯努力定理, 由..p 即可計(jì)算出流速的大小。
2、V錐流量計(jì)的特性
V錐流量計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)相比有更多的優(yōu)勢(shì)、更廣泛的適用領(lǐng)域。從美國(guó)McCrometer 公司的技術(shù)資料中可以查閱到大量的實(shí)驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)檢定和工業(yè)應(yīng)用的報(bào)告及記錄。本文僅在表2 中列出我國(guó)銀河儀表有限公司在V錐流量計(jì)的研制過(guò)程中5 臺(tái)樣表檢定結(jié)果的部分?jǐn)?shù)據(jù)。該項(xiàng)檢定是由中國(guó)航天集團(tuán)公司第十一研究所計(jì)量室完成的, 這些數(shù)據(jù)資料都無(wú)疑是對(duì)以下各項(xiàng)指標(biāo)、特性的說(shuō)明。
（1）測(cè)量精度
如果不考慮壓力傳感儀表和二次儀表的誤差, V錐流量計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)一樣, 裝置本身的不確定度都可以達(dá)到.. 0..5%, 符合國(guó)標(biāo)對(duì)氣體商用計(jì)量的要求。
（2） 重復(fù)性
V錐流量計(jì)的重復(fù)性小于.. 0..1%。即使在低雷諾數(shù)的非線性段, 測(cè)量重復(fù)性也非常好。這意味著可以利用數(shù)據(jù)處理技術(shù)進(jìn)一步擴(kuò)展流量計(jì)的測(cè)量范圍。標(biāo)準(zhǔn)孔板的復(fù)現(xiàn)性包括在不確定度里, 不單列。
（3）量程比
V錐流量計(jì)的典型單表量程比是10..1。這項(xiàng)指標(biāo)比標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)的3..1 要寬得多。從表2 可以看出它還能夠達(dá)到更高的量程比。
（4）節(jié)流比系數(shù)..( 直徑比)
標(biāo)準(zhǔn)V錐裝置的.. 值取值范圍從0..45 到0..85。標(biāo)準(zhǔn)孔板裝置的.. 值取值范圍從0..20 到0..75。V錐裝置的..值在低端不占優(yōu)勢(shì), 這是因?yàn)閂錐在管道中心節(jié)流, 而在同樣空隙的條件下, 周邊有效面積要比中心的大。
（5） 雷諾數(shù)Re
V錐裝置的雷諾數(shù)允許范圍為5 .. 103~ 1 .. 107。對(duì)于角接取壓的孔板裝置, 當(dāng)0..20 .. .... 0..45 時(shí), 要求ReD ..5 .. 103; 當(dāng)..> 0..45 時(shí), 要求ReD ..1 .. 104。對(duì)于法蘭取壓的孔板裝置, 要求ReD ..1..26 .. 106 ..2D; 為了與V錐裝置對(duì)照, 取..= 0..45、D= 0..100m, 則有ReD .. 2..55 .. 104。顯然, V錐裝置在雷諾數(shù)的低端有更加寬闊的工作范圍, 從而也解釋了為什么V錐流量計(jì)的適用領(lǐng)域更廣、量程更寬, 尤其是當(dāng)介質(zhì)粘度較大, 造成
雷諾數(shù)較低時(shí)。雷諾數(shù)的, 雖然孔板裝置可以達(dá)到無(wú)窮大, 但是對(duì)于一般的工廠計(jì)量應(yīng)用來(lái)說(shuō), 1 .. 107 已經(jīng)夠了。規(guī)范對(duì)介質(zhì)在管道中的流速是有限制的, 極少會(huì)超過(guò)這個(gè)數(shù)值。
（6）壓力損失
由于V錐裝置不是采用與流向成直角的立面節(jié)流, 避免了正向沖擊損失, 所以造成的性壓力損失自然就小。此外, V錐裝置的信號(hào)噪聲影響很小( 見(jiàn)3. 10) , 其差壓的允許下限值可以更低, 這也是減小壓力損失的設(shè)計(jì)策略之一。從V錐和孔板的壓損公式及其曲線圖( 如圖2 所示) 看, 可以定量地得出V錐的壓損是小一點(diǎn), 但差別不大。孔板壓損公式: .. ..= ( 1- ..1..9) ..p V錐壓損公式: p loss= (1..3- 1..25..) ..p
（7） 直管段長(zhǎng)度
V錐流量計(jì)上游需0~ 3D 的直管段, 下游需0~ 1D 的直管段, 或者說(shuō)包括流量計(jì)本體在V整個(gè)計(jì)量段的長(zhǎng)度在7D 之V; 標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)上游需10D~ 36D 的直管段, 下游需4D~ 7D 的直管段。V錐裝置占優(yōu)勢(shì)。這里舉兩個(gè)定量的例子: 一個(gè)是若V錐節(jié)流裝置安裝在距上游兩個(gè)異面90..彎頭3D 之外, 所產(chǎn)生的附加誤差不超過(guò)0..12%; 第二個(gè)是當(dāng)..= 0..5 時(shí), 若安裝在距上游50%~ 99%開(kāi)度的閘閥0D 之外, 所產(chǎn)生的總計(jì)量誤差不超過(guò).. 0..5%。在實(shí)際應(yīng)用中, 管道V流體的速度幾乎不存在象圖3 中B 段那樣的理想分布。任何管道都不可避免地要布有如彎頭、閥門、變徑接頭、三通接頭之類的干擾源, 從而紊亂流速分布, 即如圖3 中A 段所示那樣, 干擾所有的速度式流量計(jì)的精度。傳統(tǒng)的解決辦法就是加長(zhǎng)流量計(jì)前后的直管段或增設(shè)靜態(tài)整流器。而V錐節(jié)流裝置得益于在管道中心布置節(jié)流件這種結(jié)構(gòu), 具有自整流作用, 在流體流近錐體前, 速度分布會(huì)朝著平穩(wěn)流分布的流型變化, 所以大大減小了直管段的長(zhǎng)度。
（8）易損部件與使用壽命
這一點(diǎn)和孔板流量計(jì)一樣, V錐流量計(jì)的V部無(wú)易損部件, 耐用且免維護(hù)。除此之外, V錐的迎流面造型是流線型的, 不象孔板那樣有個(gè)與流束成直角的銳邊, 所以它更經(jīng)得起含有固體顆粒雜質(zhì)介質(zhì)的沖擊; 其..值的穩(wěn)定期和標(biāo)定間隔要比孔板長(zhǎng)得多。
（9）節(jié)流區(qū)死角
標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流件是在中心開(kāi)孔, 周圈節(jié)流, 于是在節(jié)流件的底部形成一個(gè)死角; 尤其是氣體介質(zhì)中的雜質(zhì)和凝液就會(huì)聚集在這里, 特別是當(dāng)氣體濕度較大時(shí), 對(duì)測(cè)量的影響很大。而V錐這種.. 通掃..式的結(jié)構(gòu)就解決了這個(gè)問(wèn)題。
（10） 信號(hào)噪聲
如同旋渦流量計(jì)的工作原理, 流束中阻擋物的后側(cè)會(huì)形成一定頻率的旋渦振蕩。如果這種振蕩頻率足夠小、幅度足夠大, 將會(huì)對(duì)節(jié)流裝置的差壓信號(hào)造成干擾, 影響測(cè)量質(zhì)量。因?yàn)閂錐裝置在迎流面和背流面都采用具有一定導(dǎo)流角的錐面節(jié)流, 對(duì)壓力場(chǎng)的振蕩幅度有衰減作用, 因此它造成的旋渦振蕩噪聲要比孔板的輕得多。前者的信噪比約為1..0..0014, 后者的約為1..0..003。
（11） 標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)認(rèn)可
標(biāo)準(zhǔn)V錐流量計(jì)的這一項(xiàng)指標(biāo)不如標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)。后者幾乎已經(jīng)獲得范圍標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)的認(rèn)可, 諸如國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織、美國(guó)氣體協(xié)會(huì)、中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì), 等等。V錐流量計(jì)的歷史要短一些, 目前也獲得一些標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)的認(rèn)可, 如加拿大工業(yè)部的天然氣密閉管輸交接認(rèn)可、美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)的制造認(rèn)可等。最重要的一點(diǎn)是標(biāo)準(zhǔn)V錐節(jié)流裝置的選型計(jì)算的認(rèn)可和公開(kāi)化還有待于向標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置看齊。
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