V型 内锥式流量计原理及概述

1．序言（概述） 以孔板、喷嘴和文丘利管为代表的差压式流量计成功地应用于工业已愈百年。在积累大量实践经验的基础上，关于标准化差压式流量计的最新国际标准ISO5167—1、ISO5167—2、ISO5167—3和ISO5167—4已于2003年3月由国际标准化组织（ISO）正式公布执行。所谓“标准化”就是无须实验校准而确定差压与流量的关系，并可估算其测量误差。目前在全部流量计中只有这种流量计是唯一一种能达到此标准的流量计。 孔板流量计由于已标准化且结构简单、牢固；易于复制，通用性强，价格低廉而获得相当广泛的大量应用。然而，孔板流量计由于它自身结构上的缺陷也有一些重大的缺点；如流出系数不稳定，、线性差，重复性不高，准确度因受诸多因素影响也不高，易积污和易被磨损，压损较大，量程比（范围度）小，现场安装条件高，要求的直管段过长等。 对产生差压的节流装置的优化改进工作一直没有中断，对其尺寸、节流件的几何形式与参数，入口边缘剖面，取压与节流方式，可更换孔板的研制工作一直在进行。例如：为测量脏污流体的流量已开发出的非标准节流装置大至有：圆缺孔板、偏心孔板、楔形孔板、耐磨孔板、环形孔板、弯管（弯头）等。这种完善、改进的工作直到80年代中期才发展成质的飞跃，即：将流体节流收缩到管道中心轴线附近的概念从根本上改变成利用同轴安装在管道中的V形尖圆锥将流体逐渐地节流收缩到管道的内边壁。通过测量此V形内锥体前后的差压来测量流量。这种V形内锥式（VNZ）流量计为差压式流量计揭开了崭新的一页。经过10多年来的多次测试和应用，目前人们已普遍地理解它并且接受它作为一种更有效的流量仪表。实践证明：利用VNZ流量计能在更短的直管段条件下，以更宽的量程比对洁净或脏污流体实现更准确更有效的流量测量。本章将详细论证它的工作原理、结构、整机系统组成；主要技术性能与指标；优缺点、典型产品剖析和典型应用实例与经验等。 2．工作原理 2.1差压式流量计的基本原理 总的说来，差压式流量计的工作基于如下事实：如果流体流经一个收缩（节流）件时，流体将被加速。这种流体的加速将使它的动能增加，而同时按照能量守恒定律，在流体被加速处它的静压力一定会降低一个相对应的值。能量守恒定律告诉我们：在一个封闭的系统中，流体的总能量是一个常数。为进一步进行定量分析，请参见以下图1 图1 在横截面1处，流体的平均流速是V1，其密度是ρ1，管道在横截面1处的横截面积是A1；当流体流过横截面2时，相应的平均流速是V2，密度是ρ2，横截面积是A2，根据流体流动连续性原理有如下关系式：V1·A1·ρ1=V2·A2·ρ2………………（1） 如果流体是液体，可认为在收缩前、后其密度不变，即 ρ1＝ρ2＝ρ 所以液体的体积流量：qV＝V1·A1＝V2·A2…………………（2） 根据别努利方程（能量守恒定律），在水平管道上Z1＝Z2，则有如下关系式： >……………………（3） 应用别努利方程和流动连续性原理，在两个横截面上则有如下关系式： ， 由（2）式：V1＝ ………………（4） 将（4）代入（3）式，并整理，则得： ，则 式中 ； 根据直径比β的定义：β= 由（2）式 ∴ ∴ ，这样可推导出以下的理论流量公式： 又由于流出系数C的定义是：C= ，最后可得出节流式差压流量计普遍适用的实际流量公式： ………………（5） 质量流量qm=qv·ρ1………………（6） 式中： ——被测介质的可膨胀性系数，对于液体 =1；对气体、蒸气等可压缩流体 ＜1； qv——流体的体积流量，[m3/s]；（工况下流体的体积流量）； qm——流体的质量流量，[㎏/S]； d——工作状况下节流件的等效开孔直径，[m]（对于孔板是孔径，对于文丘得管是喉径，对于VNZ流量计是等效开孔直径）； △P—差压，△P=P1-P2；[Pa]； ρ1——工作状况下，节流件（前）上游处流体的密度，[㎏/m3]； C——流出系数，[—] 无量纲； β——直径比[—]无量纲。β=d／D。 如果要求有高准确度的测量结果，如要求不确定度是±0.5%的流量值，那么就需要在规定的流量范围和相对应的雷诺数范围内进行校准，即标定出C值。如果±1%到2%的精度是可以接受的，那么对于孔板、喷嘴和文丘利管等标准节流装置可以根据最新国标标准ISO-5167（2003）或我国国家标准来确定C（流出系数值）。 当要求有高精度（约±0.5%）的流量测量结果时，对每一个VNZ流量计都需进行单独校准。通常是在制造厂的标准装置上或在可溯源至国家基准的独立实验室中进行校准C系数的工作。当雷诺数Red等于或大于8000时，VNZ流量计的重复性为0.1%. 3．关于差压式流量计的分类 以往采用有差压式流量计的分类原则大致上有以下三种： 3.1 按产生差压的作用原理分类：包括分类类型有：(1)节流式；(2)动压式；(3)水力阻力式；(4)离心式；(5)动压增压式；(6)射流式。其中节流式是差压流量计的主要品种，关于节流式差压计进一步合理分类将在下文作专题论述。 3.2 按结构形式分类：包括(1)标准孔板；(2)标准喷嘴；(3)经典文丘利管；(4)标准文丘利喷嘴；(5)圆缺孔板；(6)耐磨孔板;(7)环形孔板；(8)锥形入口孔板等约20多种，详见文献。 3.3 按用途分类又可分为(1)标准节流装置；(2)脏污流节流装置；(3)低雷诺数节流装置;(4)低压损节流装置；(5)宽量程节流装置；(6)小管径节流装置；(7)临界流节流装置等。 3.4 节流式流量计的合理分类 依据流体通过节流件时，部分静压能转变为动能，因而产生差压的原理工作。其检测件被称为节流装置。按照流体被节流件节流的方式，即实现流体收缩的方式，可将节流装置细分为以下的两大类，共四个小类，这样有助于从分类学的高度认识各种节流装置由于其自身结构所决定的优缺点； 3.4.1 中心收缩式节流装置 利用节流件将被测流体节流集中收缩到管道中心轴线附近的节流，这是到目前为止绝大多数节流式流量计所采用的节流方式，在该大类中，又可分成以下两个小类： 3.4.1.1 中心突然收缩式节流装置： 即流体流入节流装置后，预先没有流经任何预收缩件而突遇节流件并在管轴中心线附近形成收缩的节流装置，它的典型代表就是标准孔板，如图2所示； 图2 孔板 孔板是一个带有同心（同轴）圆孔或偏心圆孔的一块板，当流体流过时由所开的圆孔形成流体的局部收缩。在孔板下游会形成幅度相当大的旋涡，它会使量程比缩小，差压信号中的噪声增大，降低流量计的测量精度，压损增大。由孔板所造成的这种中心突然收缩的节流方式所带来的其他缺点还有：要求的上游直管过长(一般至少20D至50D)；孔板前极易积污；孔板入口极易被磨损从而丧失精度；流出系数不稳定，线性差。 3.4.2.1 中心逐渐收缩式节流装置 流体进入节流装置后，先经逐渐收缩段，然后进入中心轴线附近的喉部，最后经扩散段而流出节流装置，它以经典文丘利管为代表，如图3所示。 图3 经典文丘利管 由于实现了逐渐收缩与扩散，压损较小。一般说来，文丘利管的流出系数接近于1，但是由于磨损和使用，此流出系数可能有变化。文丘利管的主要缺点有：（1）安装费用高；（2）要求的上游直管段较长（与阻流件及β值有关）；（3）不适合于测量含湿（或冷凝液）的气体；（4）测量含固体颗粒的流体时，易于被堵塞；（5）当用于大口径管线时，文丘利管体积庞大，而且非常笨重，价格昂贵；（6）量程比小（仅5：1）；（7）总重量太大；（8）铺设的总长度太长。 3.4.2 边壁收缩式节流装置 利用同轴安装在管道中的节流件，将流体节流，收缩到管道的内边壁附近，让流体流过由节流件与管内壁所形成间隙，从而形成节流件前后的差压；通过测量此差压ΔP，实现流量测量。可以分为以下两类： 3.4.2.1 突然收缩式：可以用环形孔板[16]作为此类节流装置的典型代表，如图4所示； 图4 环形孔板 环形孔板是一个实现流体在边壁突然收缩的节流装置，它由一个被同轴安装在测量管中的圆盘、三脚支架和中心轴管组成。由盘上测量全（滞止）压力的测压孔所测得的上游压力和圆盘上朝向下游的取压孔所测得的下游压力经中心轴传送到差压变送器。环形孔板的优点是既能疏泄管道底部的液体或固体颗粒又能使被测液体中的气体或蒸气沿管道顶部通过，排出节流装置。对于脏污流体，朝向上游的取压孔仍有被堵塞的危险。关于与管道尺寸之间的相互关系的数据目前公布的很少，仅有一些在常用β值下，用环形孔板测量干净空气流量的数据。 3.4.2.2 逐渐收缩式：以V形内锥流量计为代表利用同轴安装在测量管中的V形尖圆锥，将流体逐渐地节流，收缩到管道内壁附近。通过测量此V形内锥体前后的差压来实现流量测量，如图5所示。通过以上的分类学分析，可以看清，人类对节流式流量计的改进进程，V形内锥流量测量节流装置是对已有节流式流量计改进完善的必然结果。 图5 V形内锥式节流装置 4． V形内锥式节流装置的基本原理与结构 V形内锥式节流装置包括一个在测量管中同轴安装的尖圆锥体和相应的取压口。该测量管是预先精密加工好的，在尖圆锥体的两端产生差压。此差压的高压（正压）是在上游流体收缩前的管壁取压口处测得的静压力，P1如图5所示，而低压力（负压）则是在圆锥体朝向下游端面，锥中心轴处所开取压孔处压力P2。该圆锥体的顶尖朝向来流，该圆锥体与其尾随面之间是一个尖锐的锐角。此交合面的边缘使得流体在进入下游的低压区之前有一个平滑的过渡区，如图5所示。 由于流体不是被迫收缩到管道中心轴线附近，并且也不再是一个阻挡物（节流件）令流体突然改变流动方向，而是利用这种结构新颖的内锥式节流装置实现了对流体的逐渐朝向管内边壁的收缩（节流），使V形内锥式流量计具有了一系列独特的优点。这种流量计在其节流件的下游只会产生高频低幅的喘流（小涡流），因而差压变送器所测量的差压ΔΡ信号是低噪声信号。这样在低压力的取压孔处可以测得灵敏度（分辨率）优于2.5毫米水柱的压力。这就使只用一个差压变送器就获得很宽的量程比（范围度）（量程比可大于15比1）和很好的重复性，重复性优于±0.1%成为可能。 4.1 V锥技术的特征 所有各种节流式差压流量计都使用同一形式的数学方程式，普遍适用的计算工况下实际流量的公式，如式（5）、式（6）所示。只是在确定尺寸和具体实现流量方面，各种节流式流量计有某些微小的差别。对于V形内锥式节流装置，在公式（5）或公式（6）的流量计算公式中，应采用等效的开孔直径和等效的β值。例如，在如下的公式（5）和公式（6）中，应该用等效值（D2- ）取代d2，式中dv—尖圆锥体最大横截面，圆的直径： ………………（5） ………………（6） 对于VNZ流量计，应该用（D2-dV2）取代以上两式中的d2 dV———尖锥体最大横截面，圆的直径，m； 对于VNZ流量计应该用一个等效的β值（βV）代入以上的（5）和（6）式取代公式中原有的β值。这个工况下等效的β值—βV，可按如下公式求出： ………………（7） 式中：D—工况下测量管的内径，m dv—工况下尖锥体最大横截面处，圆的直径，m βV—VNZ节流装置的等效直径比[—]无量纲； 可按下式计算dV： dV= ………………（8） 式中dv和D皆指在工况条件下的尺寸。 与孔板（或喷嘴）类同的节流件等效开孔直径dˊ=βV·D………（9） 4.2 VNZ流量计的气体可膨胀性系数 如果被测介质是气体，则必须使用气体可膨胀性系数 来修正别努利方程。这是因为在节流件两端由于压力变化所造成的气体密度ρ的变化并不适用于液体。对于气体，必须用 乘以C（即用 来修正流出系数C）。对于VNZ流量计的 的计算公式[5]如下： =1-（0.649+0.696β4）· ……………………（10） 式中： △P-一般指在常用流量下，内锥前后的常用差压； β—VNZ节流装置的等效直径比，即βV；­ k—被测介质（可压缩流体）的等熵指数； P1—工况下节流件（内锥）上游取压孔处可压缩流体的绝对静压Pa； △P与P1应取相同的压力单位。 对于每一个VNZ流量计，在流量公式中所采用的流出系数C是通过流量标定而获得的。C的典型数值范围是0.75～0.85。对于气体或蒸汽介质的可膨胀性系数 可按式（10）计算。一个VNZ流量计由VNZ节流装置、差压信号管线，三阀组组件、差压变送器及流量计算及显示仪组成，其整机接线示意图如以下图6所示。 图6 YNZ流量计整机接线示意图[6] 4.3 VNZ节流装置的三种结构型式 4.3.1精密测量管型，如图7所示，其口径范围一般从 15mm～900mm。 4.3.2维夫（Wafer）式，即法兰夹装式，如图8所示，其口径范围从15mm～150mm。 4.3.3 插入(带顶部管壁)式,如图9所示,其口径范围是150mm至1800mm,由于无法进行校准,精度较差,不确定度在3%到5%之间,测量值的重复性仍然很好。 图7 精密测量管型 图8 维夫式 图9 插入式 5. VNZ流量计的主要性能指标与特点: 5.1 在精密测量管中的内锥的标准等效直径比 βV=0.45， 0.55， 0.65， 0.75和0.85 5.2 在各种阻流件的下游安装VNZ流量计时,所要求的直管段都大大缩短,一般上游要求有0至3D的直管段(当流量计安装在阀门的下游时,要求3D);下游要求有0至1D的直管段。 例如：经测试将 VNZ流量计安装在单弯头之后，在0至20D的距离内，流出系数C的变化全部在±0.5%以内,如图10(a)所示; 将VNZ流量计安装在不在同一平面的双弯头后,在0至100D的距离内, 流出系数C变化全部在±1%以内,如图10(b)所示； 5.3 在绝大多数的使用场所,VNZ流量计的测量精确度达±0.5%； 5.4 重复性为±0.1%； 5.5 典型的范围度(量程比)为15:1； 5.6 最小雷诺数为8000,对于雷诺数低于8000的场所,要采用一个 拟合的关系式； 5.7沿测量管的内壁由被测流体自行实现完全的自清扫,所以可以自行消除液中的含气或气中的含液以及气或液中所含的固体颗粒,将它们吹向下游,始终确保无污物在流量计中沉积或堆积； 5.8采用标准化的圆锥尺寸,可以减小压损并增大流量测量范围； 图10（a）VNZ 流量计在一个单弯头的下游 图10（b）VNZ 流量计在不在同一平面的双弯头的下游 图注：图中的βv.cone即等效直径比βV 5.9测量管中的设计压力可达4Mpa或6Mpa。 5.10工作温度可达到370℃或更高（如640℃）。 5.11在V形锥的下游能更好的实现流体的混合,它是一个良好的混合器。 6. VNZ流量计的优缺点 6.1优点 6.1.1准确度优于实测流量的±0.5%,根据最新报导[15],在CEESI的依阿华(IOWA)的天然气大流量测试装置上曾对一批口径从457mm至711mm的VNZ流量计进行了测试，其不确定度从±0.118%到±0.203%不等,对两个相同口径(660mm)的VNZ流量计测试后，所有测试点的总离散度在±0.55%以内。该不确定度水平可与其他各种气体流量计相比； 6.1.2这种流量计的量程比:典型值为15:1,至少可有10:1的量程比； 6.1.3重复性优于±0.1%； 6.1.4安装时所要求直管段很短,上游要求0至3D,下游要求0至1D；不需要在VNZ流量计的上游安装流动调整器； 6.1.5流量计结构设计是流体扫过型结构，不可能截留流体中任何夹带的气，液或固相污物,非常适用于脏污流体的流量测量，如焦炉煤气，湿气体等； 6.1.6专用特殊设计的内锥体可以减弱被测压力（差压）场中脉动（振荡）的幅值，从而减小差压信号中的噪声； 6.1.7无可动部件； 6.1.8当流体流经具有特殊廓形的内锥体时,会在其周边形成边界层并疏导流体离开锥体尾部的边缘,从而减少它被磨损的可能性； 6.1.9由于压损小,适用于低静压流体的流量测量的使用场合,如烟道气； 6.2缺点： 6.2.1当要求VNZ流量计具有优于±0.5%的精确度，对每一台流量计都要求在尽可能接近使用条件的校准装置上对它进行实流校准，即标定它的流出系数C； 6.2.2 VNZ流量计尚未达到标准化的程度； 6.2.3由于结构上原因,无法用一台VNZ流量计适应双向流的流量测量要求。 各种流量计所适用的流体范围一览表 流体 Meter类形 洁净气 /液体 脏污气 /液体 腐蚀性 液 体 粘性 液体 磨蚀 浆液 含纤维 浆 液 低流速 流 体 蒸汽（气）气 体 高温 流体 低温 流体 不充满 管 道 非牛顿流 体 明渠   节流式差压流量计 VNZ ○ ○ ○ ◎ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ╳ ╳ ╳ 孔板 ○ ◎ ○ ◎ ╳ ╳ ○ ○ ○ ○ ╳ ○ ╳ 文丘利管 ○ √ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ○ ◎ ◎ ╳ ◎ ╳ 喷嘴 ○ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ○ ◎ ◎ ╳ ◎ ╳ 毕托管 ○ ◎ √ ◎ ╳ ╳ ◎ ○ ◎ ◎ ╳ ╳ ╳ 弯头 ○ √ √ ◎ √ ◎ ╳ ○ ◎ ◎ ╳ ◎ ╳ 电磁 ○液 ○液 ○液 ○V ○ ○ √ ╳ ◎ ╳ ◎ √ ◎ 质量流量计 科氏力 ○ ○ √ ○ ○ √ √ ◎ ◎ ◎ ╳ ○ ╳ 量热式 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ √ ○ ◎ ╳ ╳ ◎ ╳ 流体振荡形流量计 涡街 ○ √ √ ◎ ╳ ╳ ╳ ○ ◎ ◎ ╳ ╳ ╳ 射流 ○ ◎ √ ◎ ╳ ╳ ╳ ╳ ◎ ◎ ╳ ╳ ╳ 旋进旋涡 ○ ╳ ◎ ◎ ╳ ╳ ╳ ○ ◎ ╳ ╳ ╳ ╳ 容积式 ○ ╳ ◎ ○ ╳ ╳ ○ ○ ◎ ◎ ╳ ╳ ╳ 靶式 ○