以孔板、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)已统领流量领域近百年,其优点是已经标准化、结构简单牢固、易于加工制造、价格低廉、通用性强。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、弯管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*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”。
塔形流量计的重大突破在于:变流体在管道中心收缩为管道边璧逐渐收缩,即利用同轴安装在管道中的塔形体(节流件),迫使流体逐渐从中心收缩到管道内边壁而流过塔形体,通过测量塔形体前后的压差来得到流体的流量。正是这个边璧收缩的结构,使得塔形流量计具有了一系列其他差压仪表无法相比的优点,*克服了以孔板为代表的传统差压仪表的诸多缺点。经过国内外10多年的应用和多次测试,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,必将逐渐和*取代以孔板为代表的传统差压仪表。
塔形流量计国外称为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。尽管名称各异,但原理结构都是一样的。单就节流件来讲,*是金属件组成,不含任何电子器件。它主要由测量管、塔形体(锥形体)、低压测量管(兼支架)、正负测压嘴、连接法兰等组成。
当口径≤N100时,塔体用负压测量管兼作支撑,口径≥DN150时,要在塔体后部再加支撑管架,并在支撑管开测量孔。
当温压一体化型时,需要在后部支撑架前安装测温元件套管,若采用多参数变送器,则不再需要压力测量点,该变送器差压、压力同时测量并能接受温度信号。
图一,流量计的组成结构图
图二,塔流量计的塔体内部结构图
所说的质量守恒定律(连续性方程)和能量守恒定律(伯努利方程),可以这样去理解:
质量守恒:流体在一个封闭的管道中流动,当遇到节流件时,在节流件前后它的质量是不变的,用公式表示为:
V1ⅹA1ⅹρ1=V2ⅹA2ⅹρ2(液体为: V1ⅹA1=V2ⅹA2)
能量守恒:管道中流体的压力和流速有如下的关系:
P1+1/2ⅹ(V1)2ⅹρ1=P2+1/2ⅹ(V2)2ⅹρ2 =常数
式中: 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;
ρ1、ρ2 分别是A1、A2处的流体密度;
根据伯努利方程:P+1/2V2ρ=常数,在截面A2处流速加快,该处的压力必然降低,因此压力P2的高低随流速V2的大小而变化。而在截面A1处流速V1和压力P1都没有变化,只要测出P1与P2的压力差 P=P1-P2,就可以求出流速(流量)。节流式差压仪表正式基于了连续性方程和伯努利方程原理,在管道内设置了一个节流件,测量其前后的压力差而得到了流量。
图三,温压补偿一体化塔形(V形锥)流量计
图四,只有的一体化的塔形(V形锥)流量计