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V錐流量計(jì)及其工作原理

更新時(shí)間:2016-05-26   點(diǎn)擊次數(shù):3681次

1  V錐流量計(jì)及其工作原理

    內(nèi)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)后被稱為內(nèi)錐流量計(jì)(見(jiàn)圖1)。

   

           圖1  內(nèi)錐節(jié)流裝置原理示意圖

    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。

如圖1所示,流體在接近內(nèi)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)內(nèi)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(cè)取這兩處的壓力差  ;根據(jù)伯努力定理,由  即可計(jì)算出流速的大小。

2 V錐流量計(jì)的選型計(jì)算

     節(jié)流裝置的選型計(jì)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(guò)國(guó)標(biāo)(GB/T2624-93)的方程式引述一下內(nèi)錐流量計(jì)的選型計(jì)算。公式中的字母代號(hào)說(shuō)明見(jiàn)表1。為便于比較,兩者的公式都采用單位制并經(jīng)過(guò)形式上的處理。

孔板流量公式:

   

標(biāo)準(zhǔn)V錐流量公式:

   

可以看出內(nèi)錐公式中的Y就是國(guó)標(biāo)公式中的  ,CD就相當(dāng)于C,可見(jiàn)它們是*一致的。

但是,首先這里要注意一個(gè)實(shí)質(zhì)性的區(qū)別:同是節(jié)流裝置,孔板是外測(cè)圓環(huán)節(jié)流,內(nèi)錐是中心圓錐節(jié)流。因此引出“節(jié)流比系數(shù)”這個(gè)概念,用以描述一個(gè)節(jié)流裝置的節(jié)流程度:它等于節(jié)流裝置在節(jié)流處的zui小流通面積與節(jié)流裝置內(nèi)部截面積比值的平方根,同樣計(jì)為  。這比把  稱作直徑比在物理意義上更準(zhǔn)確。對(duì)于孔板節(jié)流裝置,則有:

對(duì)于V錐節(jié)流裝置,則有:

  = 

式中:d’是內(nèi)錐節(jié)流裝置的等效開(kāi)孔圓直徑。

   其次,可膨脹性系數(shù)的公式也有點(diǎn)不同。不論國(guó)標(biāo)用  來(lái)表示也好,美國(guó)氣體協(xié)會(huì)用Y來(lái)表示也好,它們都是:

 (或Y)=1-(0.41+0.35 

而標(biāo)準(zhǔn)V錐的可膨脹性系數(shù)計(jì)算公式為

Y=1-(0.649+0.696  ) 

zui后,也是zui重要的是流出系數(shù)的求值問(wèn)題。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置,國(guó)標(biāo)給出:

C=0.5959+0.0312 

對(duì)于V錐節(jié)流裝置,McCrometer公司公開(kāi)給出的是一個(gè)估算式:

CD=1-(1- 

從式中可以明顯看出此處的CD與雷諾數(shù)無(wú)關(guān),僅僅是建立在節(jié)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(shí)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(shí)上,內(nèi)錐節(jié)流裝置和其它節(jié)流裝置一樣,都遵守相似定律,這就是說(shuō)內(nèi)錐流量計(jì)也可以象標(biāo)準(zhǔn)孔板一樣進(jìn)行參比計(jì)算。比如迭代法,按照McCrometer公司的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是用上述流出系數(shù)估算公式先確定一個(gè)CD初值,然后通過(guò)流量公式和雷諾數(shù)公式求出雷諾數(shù),再?gòu)腞eD-CD表中查出對(duì)應(yīng)的新CD值,如此反復(fù)迭代,直到zui后兩次流量計(jì)算值的差的值小于0.01%為止。

然而,V錐流量計(jì)目前還存在著知識(shí)產(chǎn)權(quán)和市場(chǎng)利益的保護(hù)問(wèn)題,生產(chǎn)商不提供ReD-CD表,這很不方便。經(jīng)過(guò)對(duì)一些技術(shù)資料、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析,本文建議在流出系數(shù)估算公式中加入雷諾數(shù)修正項(xiàng),從而得出下式來(lái)頂替ReD-CD表作迭代計(jì)算用:

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

對(duì)于其余參數(shù)的計(jì)算,兩者的公式*相同,包括氣體體積的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)與工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換、雷諾數(shù)、材料熱膨脹等。

公式中字母代號(hào)含意列于表1。

       表1  字母代號(hào)含意

C流出系數(shù)(國(guó)標(biāo)命名法)

 工況下流體密度,kg/m3

CD流出系數(shù)(內(nèi)錐命名法)

p流體靜壓,pa

D工況下節(jié)流件孔徑或內(nèi)錐外徑,m

 差壓,Pa

D工況下流量計(jì)內(nèi)徑,m

 等熵指數(shù)

 工況下節(jié)流比系數(shù)

Y可膨脹性系數(shù)

 可膨脹性系數(shù)

qm質(zhì)量流量,kg/s

3 內(nèi)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內(nèi)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。

3.1 測(cè)量精度

如果不考慮壓力傳感儀表和二次儀表的誤差,內(nèi)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。

3.2 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。

3.3 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。

                       表2  銀河內(nèi)錐流量計(jì)檢定結(jié)果表

計(jì)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(cè)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(jí)

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(jié)流比系數(shù)  (直徑比)

標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)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。內(nèi)錐裝置的  值在低端不占優(yōu)勢(shì),這是因?yàn)閮?nèi)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。例如,當(dāng)  =0.45時(shí),在孔板裝置中d/D就是0.45;可是在內(nèi)錐裝置中d/D卻等于0.893,再小于這個(gè)空隙就會(huì)產(chǎn)生波的干涉現(xiàn)象了。但是從這項(xiàng)指標(biāo)的另一個(gè)方面看,顯然同樣通徑的流量計(jì),內(nèi)錐節(jié)流裝置的流通能力要大出28.4%,而這種優(yōu)勢(shì)是工程上所追求的。

3.5 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;為了與內(nèi)錐裝置對(duì)照,取  =0.45、D=0.100m,則有ReD≥2.55×104。顯然,內(nèi)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內(nèi)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  已經(jīng)夠了.規(guī)范對(duì)介質(zhì)在管道中的zui大流速是有限制的,極少會(huì)超過(guò)這個(gè)數(shù)值。

3.6 壓力損失

由于內(nèi)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,內(nèi)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。從內(nèi)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(nèi)錐的壓損是小一點(diǎn),但差別不大。

         圖2  節(jié)流比系數(shù)-壓損曲線圖

孔板壓損公式: 

內(nèi)錐壓損公式: 

聯(lián)