塔形流量计讲义

新一代差压式仪表塔形(V锥)流量计编写常勤信山东龙口飞龙自动化仪表总公司辽宁飞龙仪器仪表有限公司（分公司）1内容引言---------------------------------------------------------2一塔形（V形锥）流量计结构--------------------------------------3二测量原理-----------------------------------------------------3三优越的性能---------------------------------------------------6四优越性能的机理分析-------------------------------------------64.1改善了速度分布--------------------------------------------64.2极强的抗旋涡流能力----------------------------------------84.3只需要极短的直管段----------------------------------------94.4锥形节流件不易磨损----------------------------------------144.5自清洁功能------------------------------------------------154.6强大的防堵专利技术----------------------------------------164.7节流件计算上比孔板更准确----------------------------------234.8压损小、利于节能-------------------------------------------204.9生产制造和检定--------------------------------------------20五V形锥的不足之处---------------------------------------------24六技术指标-----------------------------------------------------24七与其它差压式仪表的对比---------------------------------------257.1孔板流量计-----------------------------------------------257.2弯管流量计-----------------------------------------------307.3均速管流量计---------------------------------------------33八最后的结论---------------------------------------------------35九使用---------------------------------------------------------35十计算与选型---------------------------------------------------3810.1需要用户提供的参数--------------------------------------3810.2节流件的计算--------------------------------------------3910.3流量计选型----------------------------------------------402引言孔板、喷嘴和文丘里管为代表的差压式流量计（统称标准节流装置），作为传统的流量仪表已有近百年的发展应用历史，其优点是已标准化、结构简单牢固、易于加工制造、价格低廉、通用性强。但是孔板、喷嘴等在测量性能和结构上存在着严重的缺陷，所以近百年来人们从未间断过对它们的研究和改善工作，但是由于先天结构上的缺陷，其本身固有的一些缺点，至今仍然没能得到很好的解决。如：流出系数不稳定、线性差、重复性不高从而影响到准确度也不高。孔板入口锐角这个关键部位易磨损、前部易积污、量程比小、压力损失大，特别是十分苛刻的直管段要求在实际使用中很难满足等。为了克服上述这些不足，人们曾研制出1/4圆孔板、锥形入口孔板、圆缺孔板、偏心孔板、楔形孔板、可更换孔板……等诸多的非标准节流件，试图解决这些问题。但是这些节流件同标准孔板一样，大都没有突破“流体中心突然收缩”这个模式，只是或多或少改善了局部某一个问题，并没有从根本上彻底解决所有问题,这种改进工作到了80年代中期才有了突破性的发展：塔形（V形锥）流量计出现打破了沿袭近百年的模式结构，使得节流式差压仪表发生了“质的飞跃”。塔形（V形锥）流量计的重大突破在于：变流体在管道中心突然收缩为管道边壁逐渐收缩，（见图1）。流体在中心节流（收缩）节流件（孔板）孔板中心收缩节流示意图流体在边壁节流（收缩）节流节流件（锥体）（图1）塔形（V形锥）流量计边壁收缩节流示意图即利用同轴安装在管道中的锥形体（节流件），迫使流体逐渐从中心收缩到管道内边壁而流过锥形体，通过测量锥形体前后的压差来得到流体的流量。正是这个边壁收缩的结构，使3得塔形（V形锥）流量计具有了一系列其它差压仪表无法相比的优点，彻底克服了以孔板为代表的传统差压仪表的诸多缺点。经过国外国内二十几年应用和大量的测试数据，已充分证明它能在极短的直管段条件下，以更宽的量程比对各种流体（包括脏污、低流速）进行更准确更有效的测量，从此揭开了差压式流量仪表划时代的崭新一页。可以预言，随着人们对它逐渐认识、了解、熟悉和掌握，必将成为差压式流量仪表的主流。一、塔形（V形锥）流量计的结构塔形（V锥）流量计英文为V-CONE,国内的叫法有多种如V形（型）锥、内锥、环孔流量计、内置文丘里等（我公司因具有四项中国专利所以更名为：塔形流量计）。尽管名称各异，但结构与原理基本是一样的。就流量传感部分来讲，完全是金属件组成，不含任何电子器件，其流量传感部分的整体基本结构，（详见图2）。（图2）塔形（V形锥）流量计的结构示意图各部件名称：1：连接法兰，2：测量管体，3：正压接嘴，4：尾部取压型负压接嘴，（4）：管壁取压型负压接嘴，5：负压传导管兼前部支撑，6：锥体，7：负测压口，8：后部支撑。当口径≤DN100时，锥体6用负压测量管5兼作支撑（无后支撑8），当口径≥DN150时，要在锥体后部再加支撑管架8（并在支撑管开一次测压孔7）。当采用温压一体化专利技术时，需要在后部支撑三角架前测量管上安装测温元件套管（图中虚线处）。二、测量原理2．1差压式仪表的工作原理塔形（V形锥）流量计与传统的差压式流量（如孔板等）仪表的工作原理完全相同，都是属于节流式差压流量仪表。其工作原理都是基于封闭管道中流体质量守恒（连续性方程）和能量守恒（伯努利方程）两个定律。4所谓质量守恒定律用于差压流量仪表上，是指流体在一个封闭的管道中流经节流件时，流体的质量是不会改变的，也就是说流经前后的质量是相等的。用连续性方程表示为：222111AVAV……（1）如果是液体可以认为密度是不变的，即21这样该式变为：2211AVAV……（2）质量守恒告诉我们，流体在管道中流动遇到节流件后，它的质量是不会因为遇到了阻挡而发生改变。遵照这个定律，我们就可以放心地在管道中设置任何形状的节流件来测量流量，也不用担心节流件会对流体的质量有影响。在质量守恒的前提下，我们再利用能量守恒定律来分析差压式流量仪表的工作原理。所谓能量守恒是指是在一个封闭的管道中流动流体的总能量（位能、动能、压能）沿流线守恒，用伯努利方程表达为：＝常数ρ＝ρ222221121122PVZgPVZg（下标1、2表示节流件前、后）由于位置高度变化很小或基本不变（处于水平管道时），故位能可以忽略，这样方程可以简化为：＝常数ρ＝ρ2222112122PVPV为分析方便假设节流件前、后的密度保持不变，则整个方程就简化为“动能与静压能”之间简单的关系：常数2221212121PVPV……（3）根据（3）式我们再来看流体流经节流件前后两个截面处21AA、后，压力P与流速V之间关系的变化，这里以塔形（V形锥）流量计的节流体为例,参见（图3）。在管道截面A2处的流速V2因被节流而加快，根据（3）式可知，为了保持压力与流速间的常数关系，该处的压力P2必然降低，流速V2越大则压力P2就越低，因此压力P2的高低反映了流速V2的大小。而在管道截面A1处的流速V1因没有被节流仍然保持原来的流速，与之对应的压力P1也就不会变化，也仍然保持原来的压力值。P1与P2之间由于有了节流件而产生了压力差ΔP（ΔP＝P1－P2），压力差ΔP与流速（流量）间有确定的数学关系式。因此我们依据这个数学关系式从测得的压力差ΔP中，就可以得到流体的流速（流量）。节流式差压仪表正是基于上述两个定律，在管道内设置了一个节流件，测量其前后的压差并依据确定的流量方程而得到了流量。5P1P2V2V1A1A2（图3）图中：A1、A2分别是节流件前、后的截面积；V1、V2分别是A1、A2处的流速；P1、P2分别是A1、A2处的压力；2.2塔形（V形锥）流量计的流量方程对于所有节流式差压仪表来讲，标准节流件的流量方程（4）是普遍适用的。PdCqm24124PdCqV24124……（4）只是在确定节流件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。塔形（V形锥）流量计也属于节流式差压仪表，流量测量也服从（4）式，只是在节流件开孔直径d上塔形（V形锥）流量计采用等效的开孔直径dv(锥形体最大截面圆的直径)代替了d。同时也要采用一个等效v取代β即：22v1Ddvβ………（5）由此塔形（V形锥）流量计的实用流量方程为：P2D412v24vΔβπεβCqm………（6）P2D412v24vΔβπεβCqv………（7）比较（6）、（7）和（4）式实质是相同的，只是把d2用等效的D2.β2代换了。式中：vmqq、：质量流量、体积流量()/skg、)/(3sm，6C:流出系数，βv:等效直径比Dd-D2v2vβ＝221Ddv：d锥形体最大截面圆的直径)(m，D:测量管直径)(m，ε：气体可膨胀性系数（液体ε＝1），ΔP:差压)aP（，ρ：流体工作密度)/(3mkg。塔形（V形锥）流量计的可膨胀性系数为：ε＝14.PP.696.0649.01κΔβv……(8)式中：ΔP－差压；βv－锥形体的等效直径比；κ－可压缩流体的等熵指数；P1－节流件上游取压孔处的绝对压力（单位与ΔP相同）。通过对上面差压式节流仪表的工作原理简介和流量方程可知，塔形（V形锥）流量计与孔板等流量仪表（标准节流装置）所依据的流量理论和流量方程是完全一样的，因此说塔形（V形锥）流量计在理论是非常成熟的，所不同的是塔形（V形锥）流量计在决定仪表性能的“关键结构上有了突破性的改变”，正是这个改变才使得它彻底克服了传统差压流量仪表的诸多的缺点和不足，并具有了一系列超乎我们想象的优越性能。三、优越的性能※具有良好的准确度（0.5～1.0%）和重复性(0.1%)；※具有较宽的范围度（10～15:1）；※具有对流体流动状态的整流功能，因此仅需要极短的直管段（前1～3D后0～1D）；※流量计被设计成吹扫型结构，因而具有自清洁功能，通常的脏污流体不会在流量计内附着和积存，因此适合脏污流体的测量；※流量计特有结构所形成的边界层效应，使节流件关键部位不会磨损，因此可以保持几何尺寸长期不变，因此能长期稳定工作而无须标定；※流量计无可动部件（不含任何电子器件）是纯机械体，因此耐高温、耐高压、耐腐蚀及不怕振动；※可测的流体广泛（液体、气体、蒸汽），测量范围宽（微小流量～大流量）适用管径为DN15～DN3000。从适用的介质范围和工艺管径、工艺条件来讲，目前还没有一种流量计能与塔形（