摘要:近年來,對V形錐流量計的宣傳越來越多，但很多宣傳不夠科學。為了更好地認識V形錐流量計,以試驗數據和原理探討為依據，從安裝所需的前后直管段長度、量程比、壓力損失、適用領域等方面對其進行了理性、細致的分析,證實了該產品在生產應用中仍存在許多不足之處。
0引言
V形錐流量計(又稱內錐流量計、V錐流量計等)是美國McCROMETER公司于20世紀80年代研制推向市場的。由于V形錐流量計獨特的結構,決定了其具有優于孔板流量計的一些特點甲,如壓力損失較小、安裝所需的前后直管段長度較短、測量信號穩定等12])。但是由于V形錐流量計屬于非標準節流裝置,生產廠家的結構各不相同，現場經驗及試驗數據尚不夠充分，它的性能尚未被完全掌握。結合工作中積累的經驗、數據,對V形錐流量計的一-些特點進行了分析,認為無論是使用單位,還是生產單位都應對V形錐流量計有一個理性認識。
1工作原理
標準節流裝置(如孔板、噴嘴等)的最小流通面是節流件中心的圓孔，流體通過時因流通面積的突然減小而加速,V形錐流量計是在管道中心同軸安裝-一個尖圓錐體(前錐體為<90的銳角,后錐體為>90的鈍角)。其流通方式由標準節流裝置的中心突然收縮式改為管壁收縮式,流體通過V形錐節流件時，進行了二次分配。流體的流動狀態由原來的“管道中心流速高、管壁處流速低”逐漸調整為“靠近管壁處流速高、中間流速低”，從而具備流動調整器的效果。
V形錐流量計結構如圖1所示。
由圖1可知,V形錐流量計為“邊壁收縮式”節流裝置,正壓取壓孔開在測量管壁上，此處的流體還未通過節流件,負壓取壓孔開在錐體尾部。由于測量原理同樣滿足伯努利方程和流體流動連續性方程,所以V形錐流量計與標準節流裝置的計算公式--樣。其計算公式如下3]:
式中:qm為流體的質量流量，kg/h;C為流出系數(經過實流標定可知);ε為可膨脹性系數(對液體ε=1);β=db/D為直徑比，其中d,=√D-d2為工作條件下節流件最小截面處的等效流通直徑(d為錐體外徑,外徑),mm;D為工作條件下儀表測量管的內徑,mm;△P為從節流件上、下游取壓口處測取的差壓，kPa;ρ為儀表安裝處上游側工作條件下的流體密度,kg/m3
2對V形錐流量計特點的分析
V形錐流量計具有調整流動狀態的功能,其壓力損失小于孔板(試驗也證實了這一點),測量信號比較穩定,量程比較寬,安裝所需的前后直管段較短。但通，過近些年來的現場應用發現,對V形錐流量計優點的介紹有些言過其實，應對這些優點進行理性分析。
2.1安裝所需的前后直管段長度
V形錐流量計的節流件為錐形結構，當流體通過節流件時,節流件與管壁所形成的環形通道面積逐漸減小,使流體流速加大、靜壓力降低。流體力學試驗證明這種流型可以減小甚至消除漩渦，相當于附加了一個流動調整器。因此,它可以在直管段不夠長的情況下,較其他節流裝置獲得較高的精度,但所需的前后:直管段仍要視具體情況而定,且普遍超過“以偏概全”宣稱的前0~3D、后0~1D。印度德里工學院應用力學系學者曾以兩臺內徑D=52mm、等效直徑比β分別為0.643和0.77的V形錐流量計為例,對該儀表與上游擾動閘閥V2間相隔3種距離(L為5D、10D、15D)和閥門4種開度下的擾流進行試驗。試驗介質為油和水，流體來自離地15m的溢流水槽。試驗裝置和試驗數據如圖2所示。
通過試驗可知,當β=0.643、L=5D、閥開度在25%附近變化時,受閘閥影響,流出系數最大,變化約為6%;而當β=0.77、L=5D、閥開度大于25%時,流出系數變化高達8%;當L=10D時，流出系數最大變化也約有1.7%[41。所以這一-試驗論證了前置閘閥開度大于25%時,各種開度下當要求較高測量精度時，L=10D尚嫌不足,而不是各種情況下前后直管段均為前0~3D、后0~1D。
由此可知,儀表前有10D以上長的直管段才有可能忽略局部阻力件對測量精度的影響。按照GB2624-2006的要求,當β>0.6時,孔板需要長度>40D的前直管段，即便允許0.5%附加誤差時,所需的前直管段也要>13D。噴嘴所需的前直管段較孔板短,但長度至少也要>18D,與之相比,V形錐流量計可以顯著縮短直管段長度。另外，選擇合適的β值可以用較短的直管段長度克服阻流件對流出系數的影響。通過試驗證明,當V形錐流量計直徑比β值選擇0.65左右時,維持流出系數不變所需的直管段長度最短。
無論在何種工作條件下，所需的前后直管段分別為0~3D和0~1D,甚至不需要前后直管段的宣傳是不科學的,安裝前需預留足夠長的前后直管段。
2.2量程比和測量精度討論
在對V形錐流量計的宣傳中宣稱其測量范圍為10:1,甚至更寬,重復性0.1%,不確定度0.5%,并提供了幾個口徑的雷諾數與流出系數曲線圖,如圖3所示。在保證流出系數不變(即保證線性度)的情況下,V形錐流量計的測量范圍并未達到10:1,除去小雷諾數的點超差,剩下的也只有4倍的范圍度。在機械工業第十三計量測試中心站對DN50、DN100和DN300這3種口徑20臺V形錐流量計分別做了試驗。試驗曲線如圖3所示。
從圖3可以得出以下結論
①3種口徑的流量計在量程比10:1的范圍下均沒有做到流出系數不確定度0.5%
②流出系數是隨著雷諾數變化的，它們之間并不是簡單的線性關系,按照JJG640差壓式流量計檢定規程,在實流檢定時只需計算出每個測量點流出系數的重復性,而不用計算整個測量范圍內流出系數的線性度,流出系數的不確定度是采用測量范圍內重復性最大的測量點來計算的。現場使用V形錐流量計時，如果只是簡單地采用流量范圍內流出系數的平均值來計量是不夠科學的,必定會帶來較大的測量誤差。另外要想做到在10:1的測量范圍內達到0.5%的測量精度,需要對流出系數進行分段線性化補償,并且要配用精度GAP、適當量程的差壓變送器。
③V形錐流量計不適用于DN50以下口徑。因為口徑越小，加工難度越大,不易保證加工精度;另外口徑越小，流出系數的離散性越大，所以V形錐流量計的適用口徑范圍應為DN100~600。在這個口徑范圍內，節流件易于保證加工精度,也便于做到實流檢定,保證測量精度。
④節流裝置的測量范圍一般為(4~5):1,V形錐流量計具有流動調整的功能,流體通過節流件時產生的漩渦小，流動較孔板穩定。尤其在測量小流量時，穩定性尤為突出，在流量上限相近的情況下,流量下限比孔板低。所以在保證測量上限不變的情況下,盡量降低流量測量下限,并且配用可變量程的智能差壓變送器是可以提高測量范圍度的。這也是宣稱V形錐流量計量程比能達到10:1甚至更寬的原因。
2.3節能效果分析
V形錐流量計的結構具有改善流動方向的作用,這種流動在流體力學試驗中證明可以減小甚至消除漩渦[5]。其節流件沒有銳利的緣口,與孔板類節流裝置相比具有減小壓損、節能的效果。但通過試驗證實,其永久壓力損失僅比孔板稍低，所以V形錐流量計并不是最理想的節能型差壓式流量儀表。
2.4適用領域分析
與孔板類節流裝置相比,V形錐流量計為“邊壁收縮式”結構。當測量臟物介質時,臟污不會堆積在節流件附近,但由于負壓取壓口開在錐體尾部，管線較長且有拐角，這里是臟污易積聚的區域,雜質很容易進人負壓取壓管內部造成堵塞。當測量蒸汽介質時，停氣檢修時管道底部會存有積水。恢復通氣后，在壓力的推動下，水的波動很容易導致管道的振動。流量較大時,管道振動劇烈甚至損壞節流件造成生產事故。當測量氣體介質時,由于在錐體的下游產生的是高頻低幅并成對稱分布的小漩渦，信號噪聲非常低。在低流量、低差壓的情況下,V型錐流量計仍能保證較高的測量精度和穩定性,因此特別適合于低密度、低流速氣體的測量。
通過以上分析可知,V形錐流量計適合對低流速液體介質、低密度、低流速氣體介質和低流速的蒸汽流量計量,而不適宜于測量較為臟污的介質和高流速流體介質。
2.5流出系數與可膨脹性系數研究
V形錐流量計同樣遵循伯努利方程和流體連續性方程，所以在測量不可壓縮流體時,流出系數仍可按式(1)通過實流標定得到,因V形錐流量計為非標準節流裝置。當測量可壓縮流體時,一般采用雷諾數相等的原理,在氣體試驗室或水流量試驗室標定出流出系數。由于各種測量介質的物性不同,采用與測量介.質不同的介質進行實流標定時往往忽略了可膨脹性系數對流出系數的影響。MeCROMETER公司分別給出了V形錐流量計的可膨脹性系數ε和流出系數C的計算公式7-8]
3結束語
從安裝所需的前后直管段長度、量程比、壓力損失和適用領域等方面,對廠家所宣傳的V形錐流量計的優點做了理性、細致的分析,希望能夠引起注意，在選用V形錐流量計時--定要權衡其利弊,不要盲目使用。
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