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V錐流量計及其工作原理

更新時間:2016-05-26   點擊次數:3771次

1  V錐流量計及其工作原理

    內錐流量計源于美國麥克羅米特(McCrometer)公司,因其節流部件呈圓錐形,英文名稱為V-Cone Flowmeter;引入我國后被稱為內錐流量計(見圖1)。

   

           圖1  內錐節流裝置原理示意圖

    V錐流量計與孔板流量計同屬于差壓式流量計。其主要的理論基礎是密閉管道中能量守恒定律和流動連續性方程,即伯努力(Bernoulli)定理。定理的內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。

如圖1所示,流體在接近內錐節流件時其壓力為p1,取這一點壓力作為參照流速下的基準靜壓;當流體流經內錐節流區時,由于管道截面積變小而流速增大以維持能量恒定,并且在錐體末端取壓口處壓力降到zui小,引出該處壓力作為流速變化量p2。測取這兩處的壓力差  ;根據伯努力定理,由  即可計算出流速的大小。

2 V錐流量計的選型計算

     節流裝置的選型計算及所涉及到的單位換算十分繁瑣,這里不再贅述。以下僅通過國標(GB/T2624-93)的方程式引述一下內錐流量計的選型計算。公式中的字母代號說明見表1。為便于比較,兩者的公式都采用單位制并經過形式上的處理。

孔板流量公式:

   

標準V錐流量公式:

   

可以看出內錐公式中的Y就是國標公式中的  ,CD就相當于C,可見它們是*一致的。

但是,首先這里要注意一個實質性的區別:同是節流裝置,孔板是外測圓環節流,內錐是中心圓錐節流。因此引出“節流比系數”這個概念,用以描述一個節流裝置的節流程度:它等于節流裝置在節流處的zui小流通面積與節流裝置內部截面積比值的平方根,同樣計為  。這比把  稱作直徑比在物理意義上更準確。對于孔板節流裝置,則有:

對于V錐節流裝置,則有:

  = 

式中:d’是內錐節流裝置的等效開孔圓直徑。

   其次,可膨脹性系數的公式也有點不同。不論國標用  來表示也好,美國氣體協會用Y來表示也好,它們都是:

 (或Y)=1-(0.41+0.35 

而標準V錐的可膨脹性系數計算公式為

Y=1-(0.649+0.696  ) 

zui后,也是zui重要的是流出系數的求值問題。對于標準孔板節流裝置,國標給出:

C=0.5959+0.0312 

對于V錐節流裝置,McCrometer公司公開給出的是一個估算式:

CD=1-(1- 

從式中可以明顯看出此處的CD與雷諾數無關,僅僅是建立在節流裝置的幾何尺寸上;而且注明由該式求得的CD估算值與實際值的偏差為  ,適用條件是0.4< <0.85、0.025m<D<0.400m、ReD>8×103和Y>0.96。

事實上,內錐節流裝置和其它節流裝置一樣,都遵守相似定律,這就是說內錐流量計也可以象標準孔板一樣進行參比計算。比如迭代法,按照McCrometer公司的企業標準是用上述流出系數估算公式先確定一個CD初值,然后通過流量公式和雷諾數公式求出雷諾數,再從ReD-CD表中查出對應的新CD值,如此反復迭代,直到zui后兩次流量計算值的差的值小于0.01%為止。

然而,V錐流量計目前還存在著知識產權和市場利益的保護問題,生產商不提供ReD-CD表,這很不方便。經過對一些技術資料、實驗數據的分析,本文建議在流出系數估算公式中加入雷諾數修正項,從而得出下式來頂替ReD-CD表作迭代計算用:

CD=1-       象這樣的選型計算*可以滿足編制工程建議書、確定流量計通徑和直管段長度的需要,所求得的計算CD值也可用于二級以下的計算應用,但這只是一種估算。

對于其余參數的計算,兩者的公式*相同,包括氣體體積的標準狀態與工作狀態的轉換、雷諾數、材料熱膨脹等。

公式中字母代號含意列于表1。

       表1  字母代號含意

C流出系數(國標命名法)

 工況下流體密度,kg/m3

CD流出系數(內錐命名法)

p流體靜壓,pa

D工況下節流件孔徑或內錐外徑,m

 差壓,Pa

D工況下流量計內徑,m

 等熵指數

 工況下節流比系數

Y可膨脹性系數

 可膨脹性系數

qm質量流量,kg/s

3 內錐流量計的特性

V錐流量計與標準孔板流量計相比有更多的優勢、更廣泛的適用領域。從美國McCrometer公司的技術資料中可以查閱到大量的實驗、標準機構檢定和工業應用的報告及記錄。本文僅在表2中列出我國銀河儀表有限公司在內錐流量計的研制過程中5臺樣表檢定結果的部分數據。該項檢定是由中國航天集團公司第十一研究所計量室完成的,這些數據資料都無疑是對以下各項指標、特性的說明。

3.1 測量精度

如果不考慮壓力傳感儀表和二次儀表的誤差,內錐流量計和標準孔板流量計一樣,裝置本身的不確定度都可以達到±0.5%,符合國標對氣體商用計量的要求。

3.2 重復性

    V錐流量計的重復性小于±0.1%。即使在低雷諾數的非線性段,測量重復性也非常好。這意味著可以利用數據處理技術進一步擴展流量計的測量范圍。標準孔板的復現性包括在不確定度里,不單列。

3.3 量程比

V錐流量計的典型單表量程比是10∶1。這項指標比標準孔板流量計的3∶1要寬得多。從表2可以看出它還能夠達到更高的量程比。

                       表2  銀河內錐流量計檢定結果表

計算公式

Q=A+B 

D/mm

50.000

50.000

50.000

100.000

200.00

0.452

0.650

0.854

0.850

 

A

0.05994628

-0.01709265

-0.01640338

0.75247742

1.05969451

B

1.71625861

4.04465749

8.60156801

15.08579841

59.88791366

流量/差壓

2.351

1.787

0.544

0.019

3.320

0.151

6.397

0.141

19.914

0.104

3.336

3.634

2.010

0.250

11.567

1.810

18.060

1.325

67.677

1.222

測量值

4.428

6.501

6.976

2.988

19.439

5.098

35.172

5.223

123.031

4.092

5.471

9.942

11.122

7.603

27.437

10.177

47.587

9.553

173.453

8.325

6.593

14.502

14.679

15.063

33.315

15.073

61.366

16.160

233.034

15.078

不確定度

0.30%

0.27%

0.32%

0.47%

0.57%

精度等級

0.5

0.5

0.5

0.5

1.0

量程比

2.8:1

28.8:1

10:1

9.6:1

11.7:1

3.4 節流比系數  (直徑比)

標準內錐裝置的  值取值范圍從0.45到0.85。標準孔板裝置的  值取值范圍從0.20到0.75。內錐裝置的  值在低端不占優勢,這是因為內錐在管道中心節流,而在同樣空隙的條件下,周邊有效面積要比中心的大。例如,當  =0.45時,在孔板裝置中d/D就是0.45;可是在內錐裝置中d/D卻等于0.893,再小于這個空隙就會產生波的干涉現象了。但是從這項指標的另一個方面看,顯然同樣通徑的流量計,內錐節流裝置的流通能力要大出28.4%,而這種優勢是工程上所追求的。

3.5 雷諾數Re

V錐裝置的雷諾數允許范圍為5×103~1×107。對于角接取壓的孔板裝置,當0.20≤  ≤0.45時,要求ReD≥5×103;當  >0.45時,要求ReD≥1×104對于法蘭取壓的孔板裝置,要求ReD≥1.26×106  2D;為了與內錐裝置對照,取  =0.45、D=0.100m,則有ReD≥2.55×104。顯然,內錐裝置在雷諾數的低端有更加寬闊的工作范圍,從而也解釋了為什么內錐流量計的適用領域更廣、量程更寬,尤其是當介質粘度較大,造成雷諾數較低時.

雷諾數的,雖然孔板裝置可以達到無窮大,但是對于一般的工廠計量應用來說,1  已經夠了.規范對介質在管道中的zui大流速是有限制的,極少會超過這個數值。

3.6 壓力損失

由于內錐裝置不是采用與流向成直角的立面節流,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,內錐裝置的信號噪聲影響很小(見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計策略之一。從內錐和孔板的壓損公式及其曲線圖(如圖2所示)看,可以定量地得出內錐的壓損是小一點,但差別不大。

         圖2  節流比系數-壓損曲線圖

孔板壓損公式: 

內錐壓損公式: