用测试数据评估环形通道流量仪表
日期：2009-8-25 23:10:00 点击：
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一 背景
百年来， 节流装置在流程工业所用流量仪表中， 一直处于绝对优势，近二三十年来，虽涌现了不少如电磁、超声等新型仪表，但要取代节流装置并非一朝一夕之事。况且，节流装置面对新的形势，也在不断改进中。环形通道节流装置的出现正成为业界关注的热点。
1. 新标准出了个难题
数年前，国际标准化组织ISOTC30 公布了节流装置新标准ISO5167 －2003，并于2003 年贯彻实施。新标准规定经典节流装置欲取得较高准确度还应加长前直管段长度，最大可达40D（D为内径）。在现代工业管径日益增大的情况下，现场很难满足这个要求；而在全球经济市场化的形势下，贸易计量核算又不允许降低准确度。严峻的形势需迫切寻求一种对直管段要求较低又能保持较高准确度的节流装置。
2. 能源监测的要求
“节能减排”是我国“十一五”经济计划中的重要国策，为此，制定了国标GB17167。它要求用能达到一定水平的单位及设备都必需用仪表进行监测。流量仪表监测了除电及固态煤以外的油、气能源及载能工质（水蒸气），这类流量仪表都应具有一定准确度而本身永久压损不太大。
3. 形势催生新型仪表上述二个要求， 迫切寻求一种新型流量仪表，其性能应为：直管段要求不长，仍能维持较高准确度；永久压损小；重量/ 口径比（或体积/ 口径）不宜太大，价格不宜太贵等。在此背景下，近年来国内不少媒体、研讨会都推荐美国McCrometer 公司1986 年推出的内锥流量计（亦称V 形内锥流量计），在扬长避短的宣传下，在全国流量行业掀起了一股“内锥热”。甚至还有人鼓吹“从节能降耗要求应大力推广内锥流量计”，在业内引起不少争议。内锥流量计是否如国外产品说明书所说的那么完美？不能盲目轻信，而应通过自己的科学试验，用测试数据给予公正的评价，优点要肯定，缺点也要指出，进行改进。只有做到了心中有数，才能逐步推广应用，而不能急于求成。
令人欣喜的是国内近几年已有不少人对内锥流量计进行了系统的测试（如天津大学）；也有人提出了一些改进产品（如槽道、梭式、内文丘里、塔式……）。
二 内锥式流量计
1. 环形孔板的启发
孔板作为经典节流装置的代表，成功应用于流程工业近百年，但由于它使流体被迫节流主管道中心，急剧磨损孔板的上游边缘，从长期看其准确度并不理想，此外它还要求前直管段太长，压损太大， 不宜测脏污流体等缺点。优化改进工作一直在进行中。Howe l l 于1939 年提出了环形孔板的设想，即置一圆板于中心，形成环形通道，令流体从中心收缩改为在管壁收缩。Bell（1957）、Bergelin(1962) 相继对21 组样机进行了测试，研究表明，环形孔板所形成的环形通道具有整流作用，对仪表上游的阻力件不敏感，具有在上游直管段不长的情况，仍能保持测试时较高的准确度，但其压损仍较大，边缘也易磨损。
上世纪80 年代中期， 美国McCrometer 公司，将节流件改为内锥，推出了内锥式流量计( 见图1)，它不仅具有环孔对直管段要求不高仍能保持较高准确度的优点；还具有边缘不易磨损，可保持长期准确度，以及脏污流体易被冲刷等优点，特别适用于测如高炉、焦炉煤气等湿气体的流量。
2. 机理分析
内锥流量计的前锥体与管壁形成的逐渐收缩的环形通道（国内亦有称为边壁收缩），迫使流体加速、降压，在流体力学试验中证明是可以减小、甚至消除上游由阻力件带来的漩涡；而内锥的最大直径与管壁的形成的最窄环形通道其作用类似于流动调整器的管束（或板孔），具有消除漩涡改善流动方向的作用。因而，可以说内锥具有节流与整流的双重作用。
3. 实流测试
天津大学自动化工程学院等单位自2003 年开始，对内锥流量计的特性及影响因素进行了系统的测试研究，现列出其部分测试数据（表1）。
a 充分发展紊流
测试条件：上游具有30D 直管长度（D 内径），介质为空气，流量基准：±1% 气体涡轮流量计，内锥流量计的样机：β 值为0.5，0.65，0.85 三种；前锥角为40 °，45 °，50 ° 三种；后锥角为120 °，130 °，140°三种，共组合为27 种不同参数样机。
原文中采取了仿真及实流测试二种方法，由于仿真试验的模型略去了前支承立柱，与实际情况有较大出入，本文略去相关内容。
实流测试表明：（见表1）
(1) β 值的影响
随着β 值的增大，流出系数C 有减小的趋势。β 值处于0.5 ～ 0.65 之间时，流出系数的分散性（原文定义为误差）较小，约2 ～ 3%；而当β=0.85 时，流出系数C 的分散性可达7% 以上。
(2) 前锥角的影响
较大的前锥角可减小雷诺数Re 对流出系数C 的影响。随着前锥角的增大，流出系数有减小的趋势。
(3) 后锥角的影响
后锥角对流出系数影响不大（本文略去相关参数），也许是所选三种后锥角相差无几。普遍的规律是流出系数随着后锥角增大有减小的趋势。
内锥流量计的β 值选取0.5 ～ 0.65较合适，当β 值选用0.5 时，宜选取较大的前锥角。β 不宜采用0.85，如前所述，选用过大的β 虽可减小压损，但已失去整流作用。
b 上游阻力件的影响
内锥流量计自80 年代问世以来，其安装条件（即不受上游阻力件的影响，而能维持较高的准确度）是最受研究机构、生产厂商及用户关注的热点， 也是经典节流装置无法与之抗衡的优势；Stephen. A. Ifft 等人于1993 年研究测试了上游单个、双个90°弯头对内锥、孔板准确度的影响，认为内锥的抗干扰性优于孔板；又于1996 年研究测试了上游为阀门时，其开度对内锥流量计准确度的影响；1995 年，J .S.Shen 等人开展了内锥流量计的抗旋流特性测试，之后，S.N.Singh, Darin George 等也对此进行了测试研究。2004 年至今天津大学对内锥流量计的特性进行了一系列的测试，取得了宝贵的成果。
(1) 弯头的影响
内锥流量计样机β 值选用0.45，0.65，0.85 三种。内径为100mm。阻力件弯头为三种：90°单弯头；
90°双弯头处于同一平面；90°双弯头处于相互垂直平面，双弯头之间无直管道。阻力件（弯头）与内锥流量计之间的距离为0 、1D、2D、5D 四种。如此排列组合共进行了35 种类型的测试，测试介质为水。测试数据由于尚未公开发表，本文不便直接使用，仅介绍其测试结论：如需保持±1% 的准确度，当内锥流量计β=0.45 ～ 0.55 时，上游应不少于2D 直管段；当β=0.65 时，直管段应不少于3D ～ 5D ；当β=0.85 时，直管段应不少于10D。
(2) 阀门开度的影响
S.A.Ifft 研究测试了阀门开度及与仪表间距对内锥流量计流出系数的影响。
内锥流量计β=0.643，0.77 二种；
间距采取5D，10D，15D，阀门开度为全开，开75%、50%、25% 共4 类，介质为水，测试结果列于表2。数据表明：当β 值等于0.643 时， 阀门开度为25%，上游直径仅5D，流出系数误差为5.53% ；当β 值等于0.77 时，仍处于上述情况，误差可达8%。即说明，当阀门仅打开25% 时，直管段长度不应小于10D。遗憾的是所选β 值都较大，如β 值选0.45 ～ 0.55，有可能会缩短所需直管段长度。
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百年来， 节流装置在流程工业所用流量仪表中， 一直处于绝对优势，近二三十年来，虽涌现了不少如电磁、超声等新型仪表，但要取代节流装置并非一朝一夕之事。况且，节流装置面对新的形势，也在不断改进中。环形通道节流装置的出现正成为业界关注的热点。
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1. 新标准出了个难题
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数年前，国际标准化组织ISOTC30 公布了节流装置新标准ISO5167 －2003，并于2003 年贯彻实施。新标准规定经典节流装置欲取得较高准确度还应加长前直管段长度，最大可达40D（D为内径）。在现代工业管径日益增大的情况下，现场很难满足这个要求；而在全球经济市场化的形势下，贸易计量核算又不允许降低准确度。严峻的形势需迫切寻求一种对直管段要求较低又能保持较高准确度的节流装置。
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2. 能源监测的要求
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“节能减排”是我国“十一五”经济计划中的重要国策，为此，制定了国标GB17167。它要求用能达到一定水平的单位及设备都必需用仪表进行监测。流量仪表监测了除电及固态煤以外的油、气能源及载能工质（水蒸气），这类流量仪表都应具有一定准确度而本身永久压损不太大。
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3. 形势催生新型仪表上述二个要求， 迫切寻求一种新型流量仪表，其性能应为：直管段要求不长，仍能维持较高准确度；永久压损小；重量/ 口径比（或体积/ 口径）不宜太大，价格不宜太贵等。在此背景下，近年来国内不少媒体、研讨会都推荐美国McCrometer 公司1986 年推出的内锥流量计（亦称V 形内锥流量计），在扬长避短的宣传下，在全国流量行业掀起了一股“内锥热”。甚至还有人鼓吹“从节能降耗要求应大力推广内锥流量计”，在业内引起不少争议。内锥流量计是否如国外产品说明书所说的那么完美？不能盲目轻信，而应通过自己的科学试验，用测试数据给予公正的评价，优点要肯定，缺点也要指出，进行改进。只有做到了心中有数，才能逐步推广应用，而不能急于求成。
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二 内锥式流量计
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1. 环形孔板的启发
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上世纪80 年代中期， 美国McCrometer 公司，将节流件改为内锥，推出了内锥式流量计( 见图1)，它不仅具有环孔对直管段要求不高仍能保持较高准确度的优点；还具有边缘不易磨损，可保持长期准确度，以及脏污流体易被冲刷等优点，特别适用于测如高炉、焦炉煤气等湿气体的流量。
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2. 机理分析
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内锥流量计的前锥体与管壁形成的逐渐收缩的环形通道（国内亦有称为边壁收缩），迫使流体加速、降压，在流体力学试验中证明是可以减小、甚至消除上游由阻力件带来的漩涡；而内锥的最大直径与管壁的形成的最窄环形通道其作用类似于流动调整器的管束（或板孔），具有消除漩涡改善流动方向的作用。因而，可以说内锥具有节流与整流的双重作用。
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3. 实流测试
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a 充分发展紊流
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测试条件：上游具有30D 直管长度（D 内径），介质为空气，流量基准：±1% 气体涡轮流量计，内锥流量计的样机：β 值为0.5，0.65，0.85 三种；前锥角为40 °，45 °，50 ° 三种；后锥角为120 °，130 °，140°三种，共组合为27 种不同参数样机。
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(1) β 值的影响
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随着β 值的增大，流出系数C 有减小的趋势。β 值处于0.5 ～ 0.65 之间时，流出系数的分散性（原文定义为误差）较小，约2 ～ 3%；而当β=0.85 时，流出系数C 的分散性可达7% 以上。
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(2) 前锥角的影响
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较大的前锥角可减小雷诺数Re 对流出系数C 的影响。随着前锥角的增大，流出系数有减小的趋势。
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(3) 后锥角的影响
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后锥角对流出系数影响不大（本文略去相关参数），也许是所选三种后锥角相差无几。普遍的规律是流出系数随着后锥角增大有减小的趋势。
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b 上游阻力件的影响
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内锥流量计自80 年代问世以来，其安装条件（即不受上游阻力件的影响，而能维持较高的准确度）是最受研究机构、生产厂商及用户关注的热点， 也是经典节流装置无法与之抗衡的优势；Stephen. A. Ifft 等人于1993 年研究测试了上游单个、双个90°弯头对内锥、孔板准确度的影响，认为内锥的抗干扰性优于孔板；又于1996 年研究测试了上游为阀门时，其开度对内锥流量计准确度的影响；1995 年，J .S.Shen 等人开展了内锥流量计的抗旋流特性测试，之后，S.N.Singh, Darin George 等也对此进行了测试研究。2004 年至今天津大学对内锥流量计的特性进行了一系列的测试，取得了宝贵的成果。
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(1) 弯头的影响
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内锥流量计样机β 值选用0.45，0.65，0.85 三种。内径为100mm。阻力件弯头为三种：90°单弯头；
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90°双弯头处于同一平面；90°双弯头处于相互垂直平面，双弯头之间无直管道。阻力件（弯头）与内锥流量计之间的距离为0 、1D、2D、5D 四种。如此排列组合共进行了35 种类型的测试，测试介质为水。测试数据由于尚未公开发表，本文不便直接使用，仅介绍其测试结论：如需保持±1% 的准确度，当内锥流量计β=0.45 ～ 0.55 时，上游应不少于2D 直管段；当β=0.65 时，直管段应不少于3D ～ 5D ；当β=0.85 时，直管段应不少于10D。
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(2) 阀门开度的影响
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S.A.Ifft 研究测试了阀门开度及与仪表间距对内锥流量计流出系数的影响。
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内锥流量计β=0.643，0.77 二种；
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间距采取5D，10D，15D，阀门开度为全开，开75%、50%、25% 共4 类，介质为水，测试结果列于表2。数据表明：当β 值等于0.643 时， 阀门开度为25%，上游直径仅5D，流出系数误差为5.53% ；当β 值等于0.77 时，仍处于上述情况，误差可达8%。即说明，当阀门仅打开25% 时，直管段长度不应小于10D。遗憾的是所选β 值都较大，如β 值选0.45 ～ 0.55，有可能会缩短所需直管段长度。
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