V锥流量计最小流量测量与等效直径比关系
2013-06-30赵玉敏高进胜
赵玉敏 高进胜
（山东省计量科学研究院，济南250014）
V锥流量计最小流量测量与等效直径比关系
赵玉敏 高进胜
（山东省计量科学研究院，济南250014）
对于同规格V形锥流量计，等效直径比不同，在流量测量过程中产生影响也不同，尤其是在最小流量测量时影响最大。本文针对这个问题，从理论分析和试验检测两个方面进行了阐述，确定同一规格V形锥流量计最小流量与等效直径比有关系，从而对实际应用起到了指导作用。
锥形流量计；最小流量；等效直径比；检测分析
0 引言
V形锥流量计由于锥体的整流作用与孔板等节流件相比，采用流体扫过型结构，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。V形锥流量计的出现，为差压式流量计广泛应用揭开了崭新的一页。而流量系数标定直接关系到锥式流量计应用的准确度，因此正确理解流量系数，准确标定，是该类型流量计检测与应用的重中之重。
流量系数最容易产生变化或者跳跃的是在最小流量点上，而目前的V形锥流量计产品在设计时流量范围追求最大化，流量系数在流量下限是否可以保证线性度成为该产品设计的重点，也就是最小流量的流量系数与等效直径比的关系，因此要正确理解和对待该类型流量计流量下限与等效直径比关系成为该产品应用的关键所在。本文在这方面进行了有意义的探索，为产品设计和应用提供了可靠的理论依据。
1 原理
V锥传感器是在测量管中安装与管道中心线同轴的V锥体，进行流量测量的一种仪表。该传感器的测量管和V锥体是经过设计、精密加工的。流体在测量管内流经V锥体时，在V锥体前重新形成流态局部收缩，流速增大，静压下降，在V锥体前后产生压差Δp，在上游管壁（流体收缩前）处测得高压p1（静压），在V锥体朝下游端面的中心轴处开取压口取得低压p2（静压），如图1所示。
图1 差压式流量计测量原理图
由图1可见，其理论属于差压式测量原理，即流速分布是以管道中心线为对称的一个指数曲面，流体通过一定管道的压力降与流量的平方成正比。可精确测量宽雷诺数（8×103≤Re≤5×107）范围内各种介质的流量。
2 流量测量的数学模型
流量测量的数学模型为：
式中：β为等效直径比；ρ1为流体工况条件下的密度；D为管道内径；K为流量系数；Δp为V锥体前后产生的压差。
3 等效直径比β定义
对于V锥传感器，等效直径比：
式中：D为工况下测量管的内径；d为V锥节流元件的最大横截面处的直径。
4 V锥流量计的技术特性
按照《流量测量节流装置设计手册》，标准的β系数范围：0.45，0.55，0.65，0.75，0.85。可见，V锥体β系数计算范围宽，配单个差压变送器时：10∶1至15∶1，配双差压变送器时：30∶1至40∶1。
5 β和最小流量的关系
对于同一规格的V锥流量传感器，D＝50mm，d＝30mm，水的密度ρ＝996.8kg／m3，黏度为0.00000137mPa·s，等效直径比β＝0.8和β＝0.6的试验数据分别如表1和表2所示。
对于同一管道内经的流量计，β的大小代表净流通面积，β越大，则净流通面积越小。对于同样的流量，流体在节流件处收缩产生的差压值越大，越有利于提高流量计量的准确度。这个问题在宽量程的最小流量、现场定点小流量范围使用、宽量程的试验样机等表现的最为敏感。
表1 β＝0.8的试验数据
续表
表2 β＝0.6的试验数据
6 结论
对于同一规格的V锥流量计，在宽量程使用时，等效直径比β尽可能小的主要优点为：
1）流量系数开始呈现平稳时的雷诺数低，亦即推荐使用的最小雷诺数小，这使实际最小雷诺数大于推荐使用最小雷诺数的可能性大，有助于测量范围的扩大，对测量有利；
2）节流件前后所需的最小直管段较短；
3）有利于提高测量准确度。
但是，β过小，也存在缺点：流体流经节流装置的压力损失大，增加了动力消耗。在满足流量系数尽可能恒定、压力损失不超过现场的允许值、节流件前后直管段尽可能短等条件下，应尽量使β接近0.5，在最小流量测量中获得较高的测量准确度。
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