V錐式流量計

V錐式流量計

一、概述：

V錐式流量計計是20世紀80年提出的一種差壓式流量計，V型錐流量計仍是一種通過節流取差壓以反映流量大小的節流裝置。節流件為一個懸掛在管道*的錐形體，高壓P1取自錐體前流體未擾動（即未形成節流，流體未加速）的管壁 ；低壓P2取自后錐體*，并通過引壓管引至管外，其差壓△P的平方根與流量成正比。計算與孔板、噴咀等類似。

二、工作原理：

圖二

1、V形內錐式節流裝置的基本原理與結構

V形內錐式節流裝置包括一個在測量管中同軸安裝的尖圓錐體和相應的取壓口。該測量管是預先精密加工好的，在尖圓錐體的兩端產生差壓。此差壓的高壓（正壓）是在上游流體收縮前的管壁取壓口處測得的靜壓力，P1如圖2所示，而低壓力（負壓）則是在圓錐體朝向下游端面，錐中心軸處所開取壓孔處壓力P2。該圓錐體的*朝向來流，該圓錐體與其尾隨面之間是一個尖銳的銳角。此交合面的邊緣使得流體在進入下游的低壓區之前有一個平滑的過渡區，如圖2所示。

由于流體不是被迫收縮到管道中心軸線附近，并且也不再是一個阻擋物（節流件）令流體突然改變流動方向，而是利用這種結構新穎的內錐式節流裝置實現了對流體的逐漸朝向管內邊壁的收縮（節流），使V形內錐式流量計具有了一系列獨特的優點。這種流量計在其節流件的下游只會產生高頻低幅的喘流（小渦流），因而差壓變送器所測量的差壓ΔΡ信號是低噪聲信號。這樣在低壓力的取壓孔處可以測得靈敏度（分辨率）優于2.5毫米水柱的壓力。這就使只用一個差壓變送器就獲得很寬的量程比（范圍度）（量程比可大于15比1）和很好的重復性，重復性優于±0.1%成為可能。

1.1 V錐技術的特征

所有各種節流式差壓流量計都使用同一形式的數學方程式，普遍適用的計算工況下實際流量的公式，如式（1）、式（2）所示。只是在確定尺寸和具體實現流量方面，各種節流式流量計有某些微小的差別。對于V形內錐式節流裝置，在公式（1）或公式（2）的流量計算公式中，應采用等效的開孔直徑和等效的β值。例如，在如下的公式（1）和公式（2）中，應該用等效值（D2- ）取代d2，式中dv—尖圓錐體zui大橫截面，圓的直徑：

………………（1）

………………（2）

對于V型錐流量計，應該用（D2-dV2）取代以上兩式中的d2

dV———錐體zui大橫截面，圓的直徑，m；

對于V型錐流量計應該用一個等效的β值（βV）代入以上的（1）和（2）式取代公式中原有的β值。這個工況下等效的β值—βV，可按如下公式求出：

………………（3）

式中：D—工況下測量管的內徑，m

dv—工況下錐體zui大橫截面處，圓的直徑，m

βV—V型錐節流裝置的等效直徑比[—]無量綱；

可按下式計算dV：

dV= ………………（4）

式中dv和D皆指在工況條件下的尺寸。

與孔板（或噴嘴）類同的節流件等效開孔直徑dˊ=βV·D………（5）

1.2 V型錐流量計的氣體可膨脹性系數

如果被測介質是氣體，則必須使用氣體可膨脹性系數 來修正別努利方程。這是因為在節流件兩端由于壓力變化所造成的氣體密度ρ的變化并不適用于液體。對于氣體，必須用 乘以C（即用 來修正流出系數C）。對于VNZ流量計的 的計算公式[1]如下：

=1-（0.649+0.696β4）· ……………………（6）

式中：

△P-一般指在常用流量下，內錐前后的常用差壓；

β—V型錐節流裝置的等效直徑比，即βV；?

k—被測介質（可壓縮流體）的等熵指數；

P1—工況下節流件（內錐）上游取壓孔處可壓縮流體的靜壓Pa；

△P與P1應取相同的壓力單位。

對于每一個V型錐流量計，在流量公式中所采用的流出系數C是通過流量標定而獲得的。C的典型數值范圍是0.75～0.85。對于氣體或蒸汽介質的可膨脹性系數 可按式（6）計算。一個V型錐流量計由V型錐節流裝置、差壓信號管線，三閥組組件、差壓變送器及流量計算及顯示儀組成，其整機接線示意圖如以下圖三所示。

圖三V型錐流量計整機接線示意圖[6]

1.3 V型錐節流裝置的三種結構型式

1.3.1精密測量管型，如圖四所示，其口徑范圍一般從 15mm～900mm。

1.3.2維夫（Wafer）式，即法蘭夾裝式，如圖五所示，其口徑范圍從15mm～150mm。

1.3.3 插入(帶頂部管壁)式,如圖六所示,其口徑范圍是150mm至1800mm,由于無法進行校準,精度較差,不確定度在3%到5%之間,測量值的重復性仍然很好。

圖四 精密測量管型 圖五 維夫式 圖六 插入式

2. V型錐流量計的主要性能指標與特點:

2.1 在精密測量管中的內錐的標準等效直徑比

βV=0.45， 0.55， 0.65， 0.75和0.85

2.2 在各種阻流件的下游安裝VNZ流量計時,所要求的直管段都大大縮短,一般上游要求有0至3D的直管段(當流量計安裝在閥門的下游時,要求3D);下游要求有0至1D的直管段。

例如：經測試將V型錐流量計安裝在單彎頭之后，在0至20D的距離內，流出系數C的變化全部在±0.5%以內,如圖七(a)所示;

將V型錐流量計安裝在不在同一平面的雙彎頭后,在0至100D的距離內, 流出系數C變化全部在±1%以內,如圖七(b)所示；

2.3 在絕大多數的使用場所, V型錐流量計的測量精確度達±0.5%；

2.4 重復性為±0.1%；

2.5 典型的范圍度(量程比)為15:1；

2.6 zui小雷諾數為8000,對于雷諾數低于8000的場所,要采用一個 擬合的關系式；

2.7沿測量管的內壁由被測流體自行實現完全的自清掃,所以可以自行消除液中的含氣或氣中的含液以及氣或液中所含的固體顆粒,將它們吹向下游,始終確保無污物在流量計中沉積或堆積；

2.8采用標準化的圓錐尺寸,可以減小壓損并增大流量測量范圍；

圖七（a）V型錐 流量計在一個單彎頭的下游

圖七（b）V型錐 流量計在不在同一平面的雙彎頭的下游

圖注：圖中的βv.cone即等效直徑比βV

2.9測量管中的設計壓力可達4Mpa或6Mpa。

2.10工作溫度可達到370℃或更高（如640℃）。

2.11在V形錐的下游能更好的實現流體的混合,它是一個良好的混合器。

3. V型錐流量計的優缺點

3.1國產V型錐式流量計優點

3.1.1準確度優于實測流量的±0.5%,根據報導[15],在CEESI的依阿華(IOWA)的天然氣大流量測試裝置上曾對一批口徑從457mm至711mm的V型錐流量計進行了測試，其不確定度從±0.118%到±0.203%不等,對兩個相同口徑(660mm)的V型錐流量計測試后，所有測試點的總離散度在±0.55%以內。該不確定度水平可與其他各種氣體流量計相比；

3.1.2這種流量計的量程比:典型值為15:1,至少可有10:1的量程比；

3.1.3重復性優于±0.1%；

3.1.4安裝時所要求直管段很短,上游要求0至3D,下游要求0至1D；不需要在VNZ流量計的上游安裝流動調整器；

3.1.5流量計結構設計是流體掃過型結構，不可能截留流體中任何夾帶的氣，液或固相污物,非常適用于臟污流體的流量測量，如焦爐煤氣，濕氣體等；

3.1.6特殊設計的內錐體可以減弱被測壓力（差壓）場中脈動（振蕩）的幅值，從而減小差壓信號中的噪聲；

3.1.7無可動部件；

3.1.8當流體流經具有特殊廓形的內錐體時,會在其周邊形成邊界層并疏導流體離開錐體尾部的邊緣,從而減少它被磨損的可能性；

3.1.9由于壓損小,適用于低靜壓流體的流量測量的使用場合,如煙道氣；

6.2缺點：

3.2.1當要求V型錐流量計具有優于±0.5%的精確度，對每一臺流量計都要求在盡可能接近使用條件的校準裝置上對它進行實流校準，即標定它的流出系數C；

3.2.2 V型錐流量計尚未達到標準化的程度；

3.2.3由于結構上原因,無法用一臺VNZ流量計適應雙向流的流量測量要求。

三、產品分類：

  依照產品供貨范圍以及輸出信號的不同，V型錐流量計可分為2類：

1、V型錐流量傳感器

  只提供差壓信號的形成部分（節流件及管道），不提供差壓變送器和流量顯示部分，輸出信號為差壓。由用戶自己進行其它配置。

2、V型錐流量變送器

由V型錐流量傳感器和差壓變送器組成。有分體式安裝和一體式安裝兩種結構。
分體式V型錐流量變送器由獨立的V型錐流量傳感器和差壓變送器組成。V型錐流量傳感器和差壓變送器之間的引壓管連接由用戶自己完成。

一體式安裝是產品出廠時己將差壓變送器與V型錐流量傳感器連接成一體，用戶購買一體式V型錐流量變送器后，使用時不需再連接引壓管。但必需配接相應的流量計算器、壓力變送器和溫度變送器。

四、流量計尺寸表