淺析錐形流量計(jì)與孔板流量計(jì)的比較

【資料簡介】

江蘇金鼎自動(dòng)化儀表有限公司 ：姚佳明  

差壓式流量計(jì)作為一種流量測量儀表，具有結(jié)構(gòu)簡單，使用壽命長，適應(yīng)性廣范等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于電力、化工、煤炭、冶金、鋼鐵等行業(yè)。據(jù)估計(jì)，差壓式流量計(jì)約占流量儀表的60%∼70%。錐形流量計(jì)作為20世紀(jì)80年代異軍突起的新興力量，憑借著其*的優(yōu)勢，逐漸被市場所接納。本文將詳細(xì)介紹錐形流量計(jì)的原理和特點(diǎn)，以及與孔板的比較。

    1 原理介紹

    1.1 綜述

    錐形流量計(jì)（見圖1）是一種新型的可測量各種雷諾數(shù)的高精度流量計(jì)，滿足各種介質(zhì)的應(yīng)用條件要求。其操作原理同其他各類型的差壓原理相同，都是基于密封管道中的能量守恒原理。錐形流量計(jì)具有*的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因而性能更優(yōu)。

   錐形流量計(jì)在管道中心處懸掛一錐形節(jié)流件，錐形件阻礙介質(zhì)的流動(dòng)，重塑流速曲線，在錐形件的下游可立即形成負(fù)壓區(qū)，管道上游的正壓同經(jīng)節(jié)流件節(jié)流后的下游的負(fù)壓之間有一壓差，將正、負(fù)壓用取壓口取出，正壓口位于管道的上游，負(fù)壓口位于錐體的末端，通過測量兩者之間的差壓，根據(jù)伯努力方程即可計(jì)算出管道中的流量。錐體位于管線中心，可對(duì)所測介質(zhì)的流速曲線進(jìn)行優(yōu)化，因此測量精度高，對(duì)儀表上、下游的直管段要求低。

    1.2 操作原理

    錐形流量計(jì)是一種差壓型的流量儀表，迄今為止，以差壓原理設(shè)計(jì)的流量儀表已經(jīng)有一百多年的應(yīng)用歷史了。差壓原理就是基于密封管道中的能量轉(zhuǎn)換原理，也就是說穩(wěn)定流體、流量同管道中介質(zhì)流速的平方根成正比。當(dāng)壓力降低時(shí)，速度會(huì)增加，當(dāng)介質(zhì)接近錐體時(shí)，其壓力為P₁，在介質(zhì)通過錐體的節(jié)流區(qū)時(shí)，速度會(huì)增加，壓力會(huì)降低為P₂，P₁和P₂都通過錐形流量計(jì)的取壓口引到后接的差壓變送器上，流速發(fā)生變化時(shí)，錐形流量計(jì)的兩個(gè)取壓口之間的差壓值會(huì)增大或縮小。當(dāng)流速相同時(shí)，若節(jié)流面積大，則產(chǎn)生的差壓值也大。β值等于錐體的節(jié)流面積除以管道內(nèi)徑的截面積（可換算成兩者之間的直徑比）。

    1.3 重塑流速曲線

    錐形流量計(jì)在進(jìn)行流量計(jì)算時(shí)所采用的計(jì)算公式同其他差壓型的流量儀表相同，但節(jié)流件的結(jié)構(gòu)同其他儀表*不同，是通過懸掛在管線中心的錐形體來實(shí)現(xiàn)的。錐體可迫使管道中心的介質(zhì)繞著錐體流動(dòng)，同其他傳統(tǒng)類型的差壓型儀表相比，這樣有很多優(yōu)點(diǎn)。另外，如果介質(zhì)通過一個(gè)很長的管道，而且在管道中沒有受到任何阻礙和干擾，它的流速分布就很均勻。

    通過管道直徑上的介質(zhì)的流速每點(diǎn)都不相同，靠近管壁的流速幾乎為零，管道中心的流速zui大，這是管壁對(duì)介質(zhì)產(chǎn)生摩擦造成的。由于錐體懸掛在管線中心，它直接同流體的高速區(qū)接觸，迫使高速區(qū)的流體與低速區(qū)的流體相混合，從而使流速均勻化，高速區(qū)的流體速度降低。這也是為什么錐形流量計(jì)能夠測量低流速流體的主要原因。由于其他類型的差壓型流量計(jì)的節(jié)流元件不與管道中心處的高速介質(zhì)相接觸，在介質(zhì)流速很低時(shí)，就可能沒有差壓信號(hào)了。

    在一般工況下，流速很難均勻分布。管道上的任何變化都可能對(duì)流體造成影響，如彎頭、閥門、縮徑、擴(kuò)徑、泵、三通等等，對(duì)其他儀表而言，這是一個(gè)很難解決的問題，而錐形流量計(jì)的錐體對(duì)上游流速分布曲線重新進(jìn)行塑造，使流速基本達(dá)到理想狀況。

    錐形流量計(jì)可在極為惡劣的情況下使流體分布均勻（如在緊鄰儀表上游有單彎管、雙彎管），以保證獲得較高的測量精度。

 

    經(jīng)過簡化后，公式為：

    式中：

    Q_V———流體體積流量m³/h

    C_d———流出系數(shù)

    β_V———等效直徑比，

    d_V為錐體zui大出直徑，D為管道內(nèi)徑

    ρ———流體工況下密度

    ε———氣體可膨脹系數(shù)

 

    2 錐形流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)及與傳統(tǒng)孔板流量計(jì)的比較

    2.1 精度

    錐形流量計(jì)精度高：精度可達(dá)到±0.5%。

    孔板流量計(jì)精度低：精度基本在±3%以下。

    2.2 重復(fù)性

    錐形流量計(jì)重復(fù)性好：優(yōu)于±0.1%。由于錐體對(duì)流速的整形，使流速達(dá)到理想狀態(tài)，干擾源少，因此重復(fù)性好。

    孔板流量計(jì)依靠直管段對(duì)流體整形，直管段整形只能達(dá)到較為接近流體*理想狀態(tài)，并且孔板本身的節(jié)流又破壞流體理想狀態(tài)，因此干擾源較多，重復(fù)性差。

    2.3 安裝要求

    錐形流量計(jì)安裝要求低：前0D∼3D、后0D∼1D。無論是泵、壓縮機(jī)、閥門或者彎管（一個(gè)單彎管或兩個(gè)不在一個(gè)平面上的雙彎管），對(duì)測量精度基本都沒有影響。

    孔板流量計(jì)安裝要求高：一般*D、后5D。復(fù)雜工況還要加大到前20D、后5D。

    2.4 長期穩(wěn)定性

    錐形流量計(jì)長期穩(wěn)定性好：流體流經(jīng)圓錐體無突然波動(dòng)，而是沿著錐形體形成一個(gè)邊界層，并引導(dǎo)流體離開錐體的后角。所以，錐體夾角不受不清潔流體的磨損，β值可長期不變，并保證長期測量。

    孔板流量計(jì)長期穩(wěn)定性差：由于流體流經(jīng)孔板銳利緣口，截流產(chǎn)生高速摩擦，引起孔板口磨損，臟污改變孔板口大小，使β值發(fā)生變化，不能保持長期測量。

    2.5 信號(hào)穩(wěn)定性

    錐形流量計(jì)信號(hào)穩(wěn)定：“信號(hào)波動(dòng)”是孔板的1/10。流體流經(jīng)流量計(jì)形成非常短的渦流，這些渦流使流量計(jì)產(chǎn)生高頻低幅信號(hào)，并且信號(hào)在錐體尾部流向*，相互抵消，因此干擾小。

    孔板流量計(jì)信號(hào)不穩(wěn)定：流體流經(jīng)平面后產(chǎn)生的渦流較長，這些長渦流使孔板產(chǎn)生低頻大幅度的信號(hào)，信號(hào)干擾大，會(huì)嚴(yán)重干擾差壓讀數(shù)的準(zhǔn)確性。

    2.6 壓損和量程

    錐形流量計(jì)的壓損低而量程寬：通常量程比為15∶1∼50∶1。這是因?yàn)殄F體的流線型設(shè)計(jì)，使壓損大大減小，zui小可至0.06kPa。在所有的差壓流量計(jì)中，只有錐形流量計(jì)的壓損與文丘里接近。由于沒有銳利的邊緣口，錐形流量計(jì)引起的*性壓力損失恒定且要比孔板小。同時(shí)，極其穩(wěn)定的信號(hào)使差壓的量程下限遠(yuǎn)比一般差壓流量計(jì)低，因此量程得以向下限擴(kuò)展，雷諾數(shù)低至8000仍可保持信號(hào)線性。如果采用曲線修正，在更低的雷諾數(shù)條件下，仍然可測量并可保證較好的重復(fù)性。

    孔板流量計(jì)壓損大、量程小：通常量程比為3∶1∼5∶1。這是由于平面阻擋，加上銳利的邊緣口，因此壓損大，導(dǎo)致了小信號(hào)波動(dòng)大、干擾大，小量程無法測量。

    2.7 β值范圍和差壓

    錐形流量計(jì)的β值范圍寬：錐形流量計(jì)*的幾何形狀允許有廣泛的β值范圍。標(biāo)準(zhǔn)的β值為0.450，0.550，0.650，0.750和0.850，并可特定β值，以保證特定的差壓輸出且有較大的差壓信號(hào)，滿標(biāo)尺差壓信號(hào)從0.1kPa到幾十kPa，保證了測量的準(zhǔn)確性。

    2.8 管線范圍和形式

    錐形流量計(jì)管線范圍寬：錐形流量計(jì)有兩種基本型式，即管道型和插入型。其中管道式錐形流量計(jì)從1/2”到60”，而插入式錐形流量計(jì)從6”到72”。

    2.9 臟污的影響和維護(hù)

    錐形流量計(jì)無停滯區(qū)，長期免維護(hù)：錐形流線型*吹掃式設(shè)計(jì)避免了流體中的殘?jiān)?、凝結(jié)物或顆粒的滯留，可以保持錐體長期清潔。由于錐體對(duì)流體整形，加速了管壁流體的流速，減少了正取壓口的臟污停留，倒角的設(shè)計(jì)，使流體流經(jīng)錐體后加速離去，負(fù)取壓孔不會(huì)污損。所以，在較長的時(shí)間內(nèi)（2年∼3年）無需維護(hù)清洗，可以保證測量。

    實(shí)踐證明，錐形流量計(jì)在焦?fàn)t煤氣、渣油等特別臟污介質(zhì)的測量中均能成功使用，并已在鋼廠焦?fàn)t煤氣流量測量中得到廣泛使用。

    孔板流量計(jì)由于是平面阻擋，臟污容易堆積，一般需3個(gè)月清洗一次，才能較好地保證其精度。

    2.10 可測高溫、高壓介質(zhì)

    錐形流量計(jì)針對(duì)不同的溫度和壓力，采用不同的材質(zhì)，工作溫度zui高可達(dá)700℃，而zui大壓力可達(dá)30Mpa。

    2.11 氣液兩相介質(zhì)（濕氣）

    對(duì)濕氣（氣體中含有水分）的流體測量始終是流量測量中的一個(gè)難點(diǎn)。而錐形流量計(jì)采用*的錐體設(shè)計(jì)，使氣體中所含有的大部分水份沿錐體從管道*溫度較高的地方向周圍溫度較低的地方快速移動(dòng)，從而產(chǎn)生凝露，沿錐體向管道底部下滴，由于錐體對(duì)流體整形，加速了管壁流體的流速，水份也快速通過，不會(huì)在取壓口產(chǎn)生大量凝露。所以，氣體含有少量水份，對(duì)流量計(jì)取壓口產(chǎn)生的干擾信號(hào)少，提高了測量準(zhǔn)確性。但是氣體中含水不超過5%為好，zui多應(yīng)不超過10%。

   孔板流量計(jì)對(duì)流體阻擋式設(shè)計(jì)，在孔板*產(chǎn)生滴露，同時(shí)管壁流體受到阻擋，流速減慢，正取壓口附近產(chǎn)生的凝露會(huì)影響取壓信號(hào)；流體流經(jīng)孔板后產(chǎn)生的渦流，向管壁作波動(dòng)性發(fā)散，影響負(fù)取壓口取壓信號(hào)。因此，濕氣對(duì)孔板的測量精度會(huì)產(chǎn)生較大的負(fù)面影響，從而影響測量。故而，孔板及其他方式測量濕氣往往難以達(dá)到預(yù)期的效果。

    綜上所述，在可預(yù)見的將來，錐形流量計(jì)必將發(fā)揮越來越重要的作用。