V锥式流量计

一、概述：

V锥式流量计计是20世纪80年提出的一种差压式流量计，V型锥流量计仍是一种通过节流取差压以反映流量大小的节流装置。节流件为一个悬挂在管道*的锥形体，高压P1取自锥体前流体未扰动（即未形成节流，流体未加速）的管壁 ；低压P2取自后锥体*，并通过引压管引至管外，其差压△P的平方根与流量成正比。计算与孔板、喷咀等类似。

二、工作原理：

图二

1、V形内锥式节流装置的基本原理与结构

V形内锥式节流装置包括一个在测量管中同轴安装的尖圆锥体和相应的取压口。该测量管是预先精密加工好的，在尖圆锥体的两端产生差压。此差压的高压（正压）是在上游流体收缩前的管壁取压口处测得的静压力，P1如图2所示，而低压力（负压）则是在圆锥体朝向下游端面，锥中心轴处所开取压孔处压力P2。该圆锥体的*朝向来流，该圆锥体与其尾随面之间是一个尖锐的锐角。此交合面的边缘使得流体在进入下游的低压区之前有一个平滑的过渡区，如图2所示。

由于流体不是被迫收缩到管道中心轴线附近，并且也不再是一个阻挡物（节流件）令流体突然改变流动方向，而是利用这种结构新颖的内锥式节流装置实现了对流体的逐渐朝向管内边壁的收缩（节流），使V形内锥式流量计具有了一系列*的优点。这种流量计在其节流件的下游只会产生高频低幅的喘流（小涡流），因而差压变送器所测量的差压ΔΡ信号是低噪声信号。这样在低压力的取压孔处可以测得灵敏度（分辨率）优于2.5毫米水柱的压力。这就使只用一个差压变送器就获得很宽的量程比（范围度）（量程比可大于15比1）和很好的重复性，重复性优于±0.1%成为可能。

1.1 V锥技术的特征

所有各种节流式差压流量计都使用同一形式的数学方程式，普遍适用的计算工况下实际流量的公式，如式（1）、式（2）所示。只是在确定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。对于V形内锥式节流装置，在公式（1）或公式（2）的流量计算公式中，应采用等效的开孔直径和等效的β值。例如，在如下的公式（1）和公式（2）中，应该用等效值（D2- ）取代d2，式中dv—尖圆锥体zui大横截面，圆的直径：

………………（1）

………………（2）

对于V型锥流量计，应该用（D2-dV2）取代以上两式中的d2

dV———锥体zui大横截面，圆的直径，m；

对于V型锥流量计应该用一个等效的β值（βV）代入以上的（1）和（2）式取代公式中原有的β值。这个工况下等效的β值—βV，可按如下公式求出：

………………（3）

式中：D—工况下测量管的内径，m

dv—工况下锥体zui大横截面处，圆的直径，m

βV—V型锥节流装置的等效直径比[—]无量纲；

可按下式计算dV：

dV= ………………（4）

式中dv和D皆指在工况条件下的尺寸。

与孔板（或喷嘴）类同的节流件等效开孔直径dˊ=βV·D………（5）

1.2 V型锥流量计的气体可膨胀性系数

如果被测介质是气体，则必须使用气体可膨胀性系数 来修正别努利方程。这是因为在节流件两端由于压力变化所造成的气体密度ρ的变化并不适用于液体。对于气体，必须用 乘以C（即用 来修正流出系数C）。对于VNZ流量计的 的计算公式[1]如下：

=1-（0.649+0.696β4）· ……………………（6）

式中：

△P-一般指在常用流量下，内锥前后的常用差压；

β—V型锥节流装置的等效直径比，即βV；?

k—被测介质（可压缩流体）的等熵指数；

P1—工况下节流件（内锥）上游取压孔处可压缩流体的静压Pa；

△P与P1应取相同的压力单位。

对于每一个V型锥流量计，在流量公式中所采用的流出系数C是通过流量标定而获得的。C的典型数值范围是0.75～0.85。对于气体或蒸汽介质的可膨胀性系数 可按式（6）计算。一个V型锥流量计由V型锥节流装置、差压信号管线，三阀组组件、差压变送器及流量计算及显示仪组成，其整机接线示意图如以下图三所示。

图三V型锥流量计整机接线示意图[6]

1.3 V型锥节流装置的三种结构型式

1.3.1精密测量管型，如图四所示，其口径范围一般从 15mm～900mm。

1.3.2维夫（Wafer）式，即法兰夹装式，如图五所示，其口径范围从15mm～150mm。

1.3.3 插入(带顶部管壁)式,如图六所示,其口径范围是150mm至1800mm,由于无法进行校准,精度较差,不确定度在3%到5%之间,测量值的重复性仍然很好。

图四 精密测量管型 图五 维夫式 图六 插入式

2. V型锥流量计的主要性能指标与特点:

2.1 在精密测量管中的内锥的标准等效直径比

βV=0.45， 0.55， 0.65， 0.75和0.85

2.2 在各种阻流件的下游安装VNZ流量计时,所要求的直管段都大大缩短,一般上游要求有0至3D的直管段(当流量计安装在阀门的下游时,要求3D);下游要求有0至1D的直管段。

例如：经测试将V型锥流量计安装在单弯头之后，在0至20D的距离内，流出系数C的变化全部在±0.5%以内,如图七(a)所示;

将V型锥流量计安装在不在同一平面的双弯头后,在0至100D的距离内, 流出系数C变化全部在±1%以内,如图七(b)所示；

2.3 在绝大多数的使用场所, V型锥流量计的测量精确度达±0.5%；

2.4 重复性为±0.1%；

2.5 典型的范围度(量程比)为15:1；

2.6 zui小雷诺数为8000,对于雷诺数低于8000的场所,要采用一个 拟合的关系式；

2.7沿测量管的内壁由被测流体自行实现*的自清扫,所以可以自行消除液中的含气或气中的含液以及气或液中所含的固体颗粒,将它们吹向下游,始终确保无污物在流量计中沉积或堆积；

2.8采用标准化的圆锥尺寸,可以减小压损并增大流量测量范围；

图七（a）V型锥 流量计在一个单弯头的下游

图七（b）V型锥 流量计在不在同一平面的双弯头的下游

图注：图中的βv.cone即等效直径比βV

2.9测量管中的设计压力可达4Mpa或6Mpa。

2.10工作温度可达到370℃或更高（如640℃）。

2.11在V形锥的下游能更好的实现流体的混合,它是一个良好的混合器。

3. V型锥流量计的优缺点

3.1国产V型锥式流量计优点

3.1.1准确度优于实测流量的±0.5%,根据报导[15],在CEESI的依阿华(IOWA)的天然气大流量测试装置上曾对一批口径从457mm至711mm的V型锥流量计进行了测试，其不确定度从±0.118%到±0.203%不等,对两个相同口径(660mm)的V型锥流量计测试后，所有测试点的总离散度在±0.55%以内。该不确定度水平可与其他各种气体流量计相比；

3.1.2这种流量计的量程比:典型值为15:1,至少可有10:1的量程比；

3.1.3重复性优于±0.1%；

3.1.4安装时所要求直管段很短,上游要求0至3D,下游要求0至1D；不需要在VNZ流量计的上游安装流动调整器；

3.1.5流量计结构设计是流体扫过型结构，不可能截留流体中任何夹带的气，液或固相污物,非常适用于脏污流体的流量测量，如焦炉煤气，湿气体等；

3.1.6特殊设计的内锥体可以减弱被测压力（差压）场中脉动（振荡）的幅值，从而减小差压信号中的噪声；

3.1.7无可动部件；

3.1.8当流体流经具有特殊廓形的内锥体时,会在其周边形成边界层并疏导流体离开锥体尾部的边缘,从而减少它被磨损的可能性；

3.1.9由于压损小,适用于低静压流体的流量测量的使用场合,如烟道气；

6.2缺点：

3.2.1当要求V型锥流量计具有优于±0.5%的精确度，对每一台流量计都要求在尽可能接近使用条件的校准装置上对它进行实流校准，即标定它的流出系数C；

3.2.2 V型锥流量计尚未达到标准化的程度；

3.2.3由于结构上原因,无法用一台VNZ流量计适应双向流的流量测量要求。

三、产品分类：

  依照产品供货范围以及输出信号的不同，V型锥流量计可分为2类：

1、V型锥流量传感器

  只提供差压信号的形成部分（节流件及管道），不提供差压变送器和流量显示部分，输出信号为差压。由用户自己进行其它配置。

2、V型锥流量变送器

由V型锥流量传感器和差压变送器组成。有分体式安装和一体式安装两种结构。
分体式V型锥流量变送器由独立的V型锥流量传感器和差压变送器组成。V型锥流量传感器和差压变送器之间的引压管连接由用户自己完成。

一体式安装是产品出厂时己将差压变送器与V型锥流量传感器连接成一体，用户购买一体式V型锥流量变送器后，使用时不需再连接引压管。但必需配接相应的流量计算器、压力变送器和温度变送器。

四、流量计尺寸表