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V锥流量计性能原理及应用分析
更新时间:2017-3-21 9:13:42 浏览:137 关闭窗口 打印此页
一、V锥流量计说明介绍
  1、±0.5%的测量准确度,(在多数实流标定的塔形流量计中流出系数的不确定度不超过0.4%)。这样高的精度是孔板等传统差压仪表所不能相比的;量程比10~15:1。    
2、重复性±0.1%,并且具有长期的稳定性。    
3、在使用安装时,只需要极短的直管段甚至不需要,前面1(0)~3D,后面0~1D。(在调节阀后安装时需要3D的直管)    
4、具有极高的测量灵敏度(分辨率),负压端2.5毫米水柱约25Pa)的压力(水柱高度还不到普通玻璃板的厚度),就可以检测到。因而除了测量大流量外可测量极小的流量,如烟道气等(孔板25毫米水柱的压力就能难检测到了)。  
5、塔造体被设计成吹扫型结构,因而具有自清洁功能,因此不会堆积截留流体中挟带的任何脏污物、凝固体、固体、气中液等。非常适合测量脏污的流体。    
6、流体流过具有特殊形状结构的塔体时,会在其节流边缘处形成边界层效应,因此极大地减少了它被磨损的可能性,也可以说是不磨损型的节流件。因此V锥流量计投用后,除极特殊条件外,它的节流边是不会被磨损得,也可以说是免拆卸标定的。    
7、压力损失小于孔板。    
8、无可动部件,不含任何电器件,是一个纯机械体,因此具有不怕震动、耐高温、高压、防腐特点等。可以这样说:它不失传统差压式仪表的结构简单、牢固可靠之特点,又具有传统差压式所不具备的各项优越性能。    
9、可测的流体非常广泛,各种气体、液体、蒸汽等都可有效测量,适用的管径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V型锥流量计相比。  
二、V锥流量计分析    
(一)、高精度、高分辨率、较宽的量程比是如何实现的    
1、 V锥流量计改善了速度分布 流体在管道中流动实际上是这样一种状态,当流动已经达到充分发展状态时,它的速度分布也是不均匀的,即越靠近管道中心流速越快,在中心达到最快。越靠近管壁流速越慢,在管壁处接近零。     大多数流量仪表在测量流量时涉及到流体流速时,都假设流体在管道中流动的流速是均等的,而不去考虑实际上流速有快慢的区别,这是受仪表的工作原理限制不得不这样做,其结果只能以牺牲测量精度为代价(目前多通道超声波就是试图解决流速不均而开发出来的)。       这种流速不均的情况在V锥流量计上却得到了很好的解决。由于塔形节流件安装在管道中心,它直接把流体从高速流动的中心部位分开,使流速快的流体分别向四周流速慢的流体靠拢并拉动它们混合一起流动,这种快慢混合的结果就是:原本流速快慢的差别消失了,流体变成了真正的均匀流动。    
2、V锥流量计有极强的抗旋涡流能力 大家都知道流体流动遇到阻挡物时会产生“旋涡流”,这就是著名的“卡曼旋涡”现象,涡街流量计就是基于这个原理工作的。同样道理象孔板、塔形体等节流件在管道中也是阻挡物,在其后部除了产生静压力差外必然也会产生旋涡流。然而这个旋涡流对于涡街来讲是有用的信号,对于节流式差压计来讲却是有害的干扰。这个干扰在节流件下游会产生“信号跳动”现象,它会严重干扰正常信号的测量。经过大量的试验和科学检测证明:孔板等突然节流式节流件下游产生的是“高幅度低频率跳动”,而塔形体下游产生的是“低幅度高频率跳动”。           如果定量来分析:二者在某一工况流量下都应该产生1kPa的压差,孔板的高幅干扰波动可达0.5kP,而塔形仅有0.1kPa的低幅干扰波动。孔板的有效信号有50%被干扰所淹没,塔形仅淹没10%,这说明V锥流量计的信号噪声远远低于孔板,孔板在这种情况下是不能正常工作的,而塔形流却可以照常工作。因此正如前所述V锥流量计非常适合低密度、低流速的气体测量,并能保持较高的准确度。     3、塔形体抗旋涡流的机理分析 从前面试验数据得出的图形对比上我们知道了V锥流量计对旋涡流的抑制性能远远强于孔板。由于孔板是基于中心突然收缩式节流工作原理,流体经过中心孔后是向四周扩展,产生的干扰旋涡流方向均从中心指向四周管壁,它的测压点恰好也在管壁上,因此干扰直接作用在测压点上,对静压的测量会产生很大的影响。     塔形体是基于边壁逐渐收缩式节流工作原理,流体流过边壁与塔体四周间的环隙后都是由边壁向中心扩展,产生的干扰旋涡流方向是从四周方向指向中心,因上下左右相反而互相抵消,虽然它的测压点也在中心,但是能到达测压点上干扰的力度经相互自行抵消已经变得很弱了,对静压的测量影响就变得很小了。     由于V锥流量计使流体的流速实现了真正的均匀流动而不是假设的;同时它对节流式差压仪表所共有的旋涡干扰流有独独特的抵抗消除功能,从而使得它的测量准确度和量程比都得到了很大提高。     孔板的测量精度一般是1.5~2.5%,量程比只有3:1~4:1,而V锥流量计测量精度可达0.5%,量程比10:1~15:1。因此它除了可测高速大流量的流体外,完全可以测量低流速、低压力的微小流量。在实际生产中常常遇到低压力和低流速流量的测量问题而难以解决。象烟道气、低压力、低流速的煤气等,由于V锥流量计特有的均速作用和极强的抗干扰能力,都可以准确的测量,而孔板等标准流装置对于这样的流量是无能为力的。    
(二)、上游1~3D  下游0~1D (甚至可以不需要)                
1、为什么只需这样短的直管段     孔板等流量计所需直管段的困扰,从事仪表行业的人们都知道,孔板等传统差压式仪表在上游处必须要加上长长的直管段(约20D到50D),目的就是为了使流体流动状态成为充分发展管流,以复现实验室条件下的流动状态。然而这种苛刻的要求常常由于现场情况的复杂而不能满足,所带来的结果必然是精度降低误差增大(通常这种误差总是引不起人们的注意)。因此象孔板这类流量计不可能在不满足直管段条件下获得准确测量值。特别是2003年3月国际标准化组织公布了新修订的ISO5167新标准,其中最主要的一条变化就是对孔板等节流装置上游最小直管段提出了全新的和加长的要求。例如如果将一个β值=0.6的孔板安装在单个90。弯头之后,按照旧标准前直管段最小18D,而新标准为42D。如果现场没有那末长的位置,又不想降低测量精度,唯一的办法就是加一个流动整流器。象这个例子需要在上游13D处加一个19管束的整流器才行。因直管段长度不符合要求而造成附加误差的情况几乎到处     可见。这种误差的偏差方向需视具体情况分析,但量值的大小有资料可查约在±0.5~±5%甚至更大。    
2、什么是充分发展的管流?     流体在管道流动时,当这种流动经过管道内各个截面,流动状态不再发生变化,这种流动状态就是充分发展的流动,通称为“充分发展的管流”。     流体在管道中流动遇到任何阻当物(弯头、阀门、管道变径、仪表的测量元件……等等),流动状态都会发生变化,变化的程度(偏流、二次流、旋涡流以及幅度)定性定量确定随阻流件的具体情况而定,但是有一点是确定的,就是流动状态不是充分发展的管流了。需要经过很长很长的直管段后才能恢复到充分发展的流动。    
3、对流体特有的整流的功能     孔板等传统差压仪表所需直管段太长,多年来一直是仪表人员最头痛的问题。直管段太长这个困扰流量测量领域多年的问题,在塔形流量计上的到了很好的解决。     我们从塔体结构上可以看到,流体遇到塔形体时(实际上未遇到塔体之前就已经受到塔体的作用力了)被强迫压缩至四周逐渐变窄的狭长通道,相当流体被强行规范流动(偏流、二次流、旋涡流等各种畸变流因被强行规范而消除),这不就是一个很形象的整流过程吗。     V锥流量计对流体的整流功能是孔板等传统流量仪表无法相比的,正是有了这个特殊的功能,所以它只需极短的直管段甚至不要直管段也能正常工作。          有了V锥流量计我们再也不用因找不到合适的安装流量计位置而犯难了,也不用担心因直管段问题而影响测量准确度了。                    
(三)、为什么塔形体的节流边不会磨损    
1、孔板节流件尺寸变化对测量的影响     节流式差压流量计的检测部分是纯机械结构型仪表,因此它的测量精度是靠集合尺寸来保证的。以孔板为例其上游边缘(通常称为孔板前锐角)就是一个极为重要的几何尺寸(它决定节流件的β值),按照国标规定该边缘半径不大于0.0004d(d:孔径)才可以认为是尖锐的,否则测量精度就很难保证。这个0.0004d要求具体是个什么概念,例如DN250管道使用d=135.36mm的一块孔板,其边缘半径允许误差0.054mm(还不到一根头发丝的直径)。这样严格的尺寸要求,即使加工能做到,在实际使用中能始终保持不变吗?回答是否定的。     孔板尖锐角易磨损是由它的结构原理决定的(即先天不足)。实际上孔板从投入运行的第一天开始,其锐角就开始被磨损,只不过是这个过程人们不易发觉到。随着锐角的一天天磨损导致流出系数一天天变大。在流体较脏流速较高的场合,这种变化往往是很惊人的。据有关资料介绍:有人做过专门调查,一个新制造的符合标准要求的孔板,在使用一年时间拆下来检查发现原来尖锐的边缘被磨钝了;在标准中对平面度、表面粗糙度要求很高的前端面积结了许多赃物,经过检定,原来流出系数不确定度由±0.6%增大了百分之几。另据国外专业杂志报导,在流体脏、流速高的现场条件下,发生流出系数增大百分之十几的也不足为奇。     流出系数变大的后果就是流量显示的偏低(实际的流出系数已经变大,然而仪表仍然按照原来小的系数进行计算,必然造成显示值偏低)。由此可见孔板流量计的准确度是使用时间的函数,也就是说越用越不准,如果把它用于贸易结算上,何谈公平公正的原则。因此非常有必要用更先进的节流装置来取代它。 塔体节流边耐磨损的特性V锥流量计与孔板一样同属于节流式流量仪表,它的测量精度也是靠几何尺寸来保证的。那末它是否与孔板有着共同的缺点呢?下面来分析一下。     塔形节流件决定测量精度的几何尺寸(β值)也是节流边缘,然而它的节流边缘与孔板确有着本质的不同。孔板的节流锐角在节流件前面直接迎着流体方向,塔形体的节流边缘是处在节流件后面顺着流体方向,而且是一个钝角。当流体进入塔形表体时,流体被迫按照由宽逐渐变窄的流线路径高速流动,加之该路径与管内壁相互作用,一个二次形成的边界层会沿着塔体周围的区域被重新分布,该边界层效应 (附面层效应)会使流体离开节流边缘一个微小的距离,正是这个微小的距离保护了节流边缘不会被磨损,即使高速脏污的流体也不会磨损节流边缘。因此决定塔形体测量精度的β值就能长期保持不变,所以V锥流量计投用后不用再标定也能长期稳定工作。    
(四)、塔体的自清洁功能测量孔不易堵塞                          
1、自清洁功能节流件不积污     如前面所述,流体在管道中流动靠近管壁处的流速会变慢,这样就会使一些脏污物或颗粒沉积在管壁上,或者如果遇到象孔板这样的节流件,便会在其前方沉积,并堵塞取压孔,严重影响测量精度。     流体在流过塔形体两侧时,由于它能迫使管壁与塔体间通道的流速加快从而形成了对管壁处和塔体表面的冲刷作用,所以根本不会产生脏污的积垢。再加上塔体近似流线的形状,更不存在孔板那样的积垢死角。V锥流量计这一独特的吹扫式设计决定了它具有自洁功能,因此它可以用来测量脏污流体、湿流体而不会被堵塞(象焦油煤气等)。          另外当流体流过塔形体时,由于流体流经支撑管时,在其前部会产生一个高压分布区(根据伯努利定律原理:在支撑管前部的流体速度变慢甚至为零,该处的压力会高于其周边处)它造成该分布区的压力稍高于其周围区,因而阻止了颗粒等进入该区,从而不会堵塞正压取压孔。(负压孔在塔体后部开孔很大不会堵塞)。    
2、德克森仪表特有的防堵技术     前面介绍的V锥流量计原有的自洁功能(防堵),但是当被测流体太脏或含有大量杂质颗粒时,McCRMETER公司常规的V-CONE的防堵功能将失去应有的作用。为此我公司成功研制设计了一种专用于高炉煤气等带有大量颗粒、粉尘介质、焦油的塔形流量计传感器,具有极强的防堵性能,该产品目前在国内是唯一的,该产品随时能满足用户的实际需要。     (五)、在节流件计算上比孔板准确     1、节流件计算“不准”带来的附加误差     这个题目听起来好像有点不可思议,因为现在的节流件设计都采用计算机软件来计算,怎么会不准之说?其实这个问题在我们每个人身边都可能发生过,只是没引起我们的注意而已。下面以计算孔板为例来说明这个问题。            在孔板计算中用户必须把管道直径“D”参数提供给设计部门或生产厂家,D参数是设计孔板的一个重要数据,因此标准中对它有严格的规定。标准要求“在节流件前(0~0.5)D长度上,至少测量3个截面取出12个直径测量值,然后取其平均值作为设计值”来计算孔板,然而这个规定在实际中很难做到(除非连同直管段一道购买加工)。大多数情况都是在原有的工艺管道上后加流量计,不可能为了测量D值而停车割开管道,大多数习惯上都是以公称值报给设计部门或生产厂家。我们知道管道的尺寸通常是以公称值来标注,而钢管产品是按外径和壁厚系列组织生产的。如219的钢管标称为DN200,但壁厚从几个毫米到十几毫米不等,直径相差最大达10mm,以这样不准确D值计算节流件,其结果就是“假值真算”,再高级的计算软件算出来孔板也不会太准确。          例如DN200系列的管道,以D=200计算(Fmax=20t/h ΔP=40kPa d20=121.99mm)     若实际的D=206,40kPa时Fmax=19.82t/h  仪表将偏高0.9%;     若实际的D=195, 40kPa时Fmax=20.178t/h  仪表将偏低0.89%     计算的D与实际值相差越大带来的误差就越大,这即怪不得计算,也不能说用户提供的不准,实际上用孔板测量流量这是很难避免的问题。壳体是精密测量管精密测量管式塔形流量计如下图。它是把要求严格的测量管和连接法兰整体焊接在一起的一个组件,虽然D值的要求也很严格,但是这个工作是由仪表制造厂家来做的。测量管是在制造厂进行准确测量或者进行机械加工来达到所要求数值,根本不需要用户再为管道的D值是否精确而为难。(但是用户要把管道的壁厚系列提供给仪表厂以便选配同系列的测量管),由于塔形流量计能把管径D值控制的十分精确,从而完全避免了象孔板等因D值难于控制而带来的误差。                                                                                                                                        (六)、压力损失小于孔板     V锥流量计的结构特点是流线型节流件,采用“逐渐节流方式”工作,完全不同于孔板等传统差压式仪表“突然节流”的工作方式,所以它的压力损失小。因此非常适应那些“大流量低压力”流体流量的测量。     (七)、生产制造、标定(检定)的依据     V锥流量计在生产制造上,参照执行国标GB/T2624 -1993 “流量测量节流装置用孔板、喷嘴和文丘里管测量充满圆管的流体流量”和Q/BFL003-2004企业标准。        在实流标定中,完全执行JJG640-1994“差压式流量计检定规程”。  三、V锥流量计的技术指标       准确度:±0.5%       重复性:±0.1%       量程比:10:1 ~ 15:1 (~20:1)       所需直管段:上游1~3D ,下游0~1D       雷诺数:8(5)ⅹ103~1ⅹ107       管道通径:DN15~DN2000  (DN3000)       公称压力:0~20MPa       介质温度:550℃ (可以更高)    四、V锥流量计的应用范围 1、气体       煤气(焦炉煤气、高炉煤气、发生炉煤气)       天然气,包括含湿量5%以上的天然气       各种碳氢化合物气体,包括含湿的HC气体       各种稀有气体,如氢、氦、氩、氧、氮等       湿的氯化物气体       空气,包括含水,含其它尘埃的空气       烟道气     2、蒸汽        饱和蒸气        过热蒸汽     3、液体         油类,包括原油(在一定的粘度下)、燃料油、含水乳化油等         水,包括净水、污水         各种水溶液,包括盐、碱水溶液         含蜡、含有水         含油、含沙的水         甲苯         甲醇、乙二醇等     4、特殊流体         油+HC气+沙         加气的水,如H2+N2+空气;H2O+CO2等
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