新型內錐式流量傳感器設計研究

秦萍

摘要： 新型的內錐式流量傳感器采用獨特的前后錐體流線結構，實現了邊壁逐漸收縮節流，具有測量壓力損失小、需要的直管段短等優點；同時具有流體整流功能及自清潔功能，由于管道內流體沿錐體表面離開錐體，還具有了自保護功能、耐磨損、可以長期保持穩定性，不需要重復標定；由于負壓側擾動小，可以達到8：1的量程比，測量范圍寬。根據多年新型內錐式流量傳感器的設計經驗及借鑒國內外最新研究成果，確定了新型內錐式流量傳感器的結構設計及參數設計方法，研發產品已通過出廠實流標定及工業現場應用，達到了線性度0.5%，重復性0.2%設計要求。

Abstract： New cone-type flow sensor used a unique anteroposterior pyramidal streamlined structure， which realized the gradual throttling of the side walls. This kind of flow sensor has the advantages of smaller losses of pressure measurement and shorter needed straight pipe. It also has the function of fluid rectifier and self-cleaning. Because the fluid can leave the cone adjoining the surface， the flow sensor also has the characteristics of self-protection， wear resistance， long-term stability and no need of repeating calibration. Due to the smaller perturbance of the negative pressure side， new cone-type flow sensor can reach 8：1 measurement range ratio. According to the experiences of designing new cone-type flow sensor for many years and drawing lessons from the latest research results， we decided the design of new type internal cone flow sensor structure and parameters. Now the products have passed the real flow calibration and industry field application test， reached the design requirements of linearity 0.5% and repeatability 0.2%.

關鍵詞： 內錐式；流量傳感器；等效直徑比；壓力損失；流出系數C

Key words： cone-type；flow sensor；equivalent diameter ratio；pressure loss；flow coefficient C

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）33-0125-04

0 引言

以孔板、文丘里管為代表的差壓式流量計是基于流體流動的節流原理，利用流體流經節流裝置時產生的壓力差而實現流量測量，是目前生產中測量流量最成熟、最常用的方法之一。差壓式流量計長期以來在流量測量中占有重要的地位，但也存在著測量精度低、測量范圍度窄、產生的壓力損失較大、易磨損、要求的上、下游直管段長度較長，不能測量混相流、臟污流等問題。新型內錐式流量傳感器（以下簡稱傳感器）是近年發展起來的一種新型差壓式流量傳感器，是差壓式流量測量的質的飛躍。傳感器采用獨特的不同前后錐角錐體節流件，具有自整流、自清洗、自保護的特性。經過大量現場應用證明，內錐式流量傳感器具有受安裝條件局限小，長期精度高、耐磨損、穩定性好、壓損小，適合臟污介質測量，雷諾數范圍達到8×103～1×107，測量范圍寬等優點。該傳感器與高精度差壓變送器配套，可以實現對天然氣、液體、蒸汽等各種介質的體積流量及質量流量的精確測量。特別是在低流速、臟污介質的測量中表現出優越的性能。

1 內錐式流量傳感器測量原理

內錐式流量傳感器是以一個同軸安裝在測量管內的兩頭錐度不同的尖圓錐體為節流件的新型差壓式流量傳感器，集耐磨孔板、文丘里管優點于一體。內錐式流量傳感器改變了節流布局，利用懸掛在管道中心流線型圓錐體將流體逐漸收縮到管道內邊壁，流體在節流元件的作用下，經過均速、整流的過程，如圖1所示。

根據管道中理想流場流速分布規律：越靠近管道中心，流速越大，管線中心流速最大；越靠近管道邊壁，流速越低，在管壁處流速接近于零。大多數流量測量傳感器無法改變這種快慢不均的狀態，只能假設管道中流速是均等的，因此會造成測量誤差。對于內錐式流量傳感器，當流體流經安裝在管道中的錐體時，錐體和流體中的高速中心部分相互作用，使得高速的中心部分與靠近邊壁的低流速部分流體均勻化，具有了均速作用；同時傳感器可以等效為一個管式整流器，上游處各種外界因素引起的不規則的流動經過這個逐漸減小的通道時，進行矯正整流使到達測量區的流體形成規則的流動，具有自整流功能。隨著流速的降低，自整流作用更加顯著，擴大了傳感器的測量范圍。因此傳感器在低流速測量及擾動流體中也能取得穩定和精確的差壓值。普通的節流裝置進行流量測量時，現場必須提供足夠長的直管段才能保證測量的準確性，在工業現場的管道布置有彎頭、閥門、縮擴徑管等都會破壞流場，一般流量儀表很難在擾動流動中取得準確測量值。傳感器的錐體結構設計具有自整流的特性，使其對現場安裝條件要求大為降低，一般前0～3D 直管段，后0～1D 直管段即可保證測量精度。endprint

內錐式流量傳感器與其它差壓式流量傳感器測量原理一樣，是基于伯努利方程和流體連續性方程。當流體流經錐形節流件與管道壁所形成的間隙時，由于間隙越來越小，流體流速不斷加快，在錐體的最大直徑處達到最大，這時靜壓降低，在錐體節流件的前后產生差壓，該差壓的正壓取自上游流體收縮前管壁處測量的靜壓力，而負壓取自圓錐體尾部中心軸線處壓力，通過對壓差的測量實現對流體流量的測量。

流體流動遇到阻擋物時會產生旋渦流，內錐式傳感器的結構是邊壁節流，流通面積逐漸減小，產生的是頻率高而振幅小的旋渦流，并且干擾流的分布是等量相反相互抵消的，因此干擾程度大大降低[1]。孔板等傳統節流件是中心節流，產生的干擾流方向直接指向取壓口，嚴重干擾了測量信號，特別是小流量時干擾信號甚至大于測量信號，因此孔板節流件的測量范圍較窄，量程比僅為3：1或4：1。

2 內錐式流量傳感器結構設計

內錐式流量傳感器根據測量管徑的不同，設計結構主要采用懸臂梁式、單支撐式和雙支撐式三種結構形式。

2.1 L懸臂梁式結構

對于DN15～DN65的小管徑，錐體體積小，重量輕，懸臂較短，設計采用懸臂梁式結構，減小對流場的影響，如圖2所示。

2.2 單支撐型結構

對于DN80及以上的測量管徑，錐體較大，為減輕錐體重量，錐體設計為空芯；懸臂較長，在流體中受壓面積加大，同時流體振動也會影響錐體的穩定性，影響測量精度，因此在錐體后面增加三角形支撐架，加強錐體的穩定性和牢固性，如圖3所示。

2.3 雙支撐式結構

對于DN500及以上的測量管徑，為了加大內錐體的牢固性，防止錐體脫落造成重大安全隱患，內錐體除了設計為空芯以外，支撐方式也設計為前后雙支撐，如圖4所示。錐體更加穩固，同時可以更好保證錐體的同軸度。不足之處是前支撐加入，會引起流場的微小變化，但在管徑較大的時候，這個不足不會對傳感器的流出系數穩定性和精度產生影響。

3 內錐式流量傳感器的參數設計

3.1 β值設計

對于內錐式流量傳感器，流體流經錐體的空間為一個圓環，需要將流體通過的圓環面積等效為圓面積，所以內錐式流量傳感器的直徑比是等效直徑比。設管道內徑為D，節流錐體最大節流處橫截面的直徑為d，則等效直徑比β的計算公式為：

內錐式流量傳感器經過推導和單位換算，其流量基本方程式為：

實驗發現β值一定時，內錐式流量傳感器的流出系數有隨著雷諾數的增大而增大的趨勢，與標準孔板的流出系數C與β值的關系不同。標準孔板的β值一定時，雷諾數越大，流出系數減小；相同雷諾數條件下，隨著β值增大，流出系數增大。對內錐式流量傳感器而言，相同條件下β值越大，流出系數越小，壓力損失小，同時輸出的差壓也較小，對于差壓在1kPa以下時，需要配套選用微差壓變送器，差壓變送器的零點漂移易影響測量精度，對差壓變送器要求較高。β值設計的小，流出系數增大，壓力損失較大，流體輸送能量損失增大，節能降耗是選型設計需要考慮的重要因素。綜合考慮到β值對產生的差壓值、流出系數及壓損的影響，結合實際工況條件下用戶要求，β值的設計范圍一般為0.45～0.85。

3.2 前后錐角設計

根據研究人員的仿真及實流標定研究結果[2]，β值一定時，前后錐角對流出系數的大小及線性度均有影響，前錐角對流出系數具有決定性的影響，而后錐角對流出系數的線性度具有一定程度的影響；較大的前錐角可減弱雷諾數對流出系數的影響。

相同β值，前錐角越大，則錐體前部分越短，流體加速度變大，產生的摩擦力加大，造成的壓力損失增大[3]。設計時采用前錐角45°～60°，DN500以下管徑，前錐角一般設計為45°；DN500及以上管徑考慮到錐體長度給加工制作帶來的難度，前錐角設計大一些。仿真及實驗研究證明后錐角對流出系數影響較小，后錐角越大，信號穩定性越好，后錐角一般設計為130°～140°。

4 實際流量標定實驗

從流量方程看出流出系數C是多個參數的函數，和很多因素有關。對于節流式裝置可以通過兩種方法取得流出系數值。第一種是按照設計標準給出標準節流裝置的流出系數，比如孔板、噴嘴及經典文丘里等；第二種是對流量傳感器進行實流標定，間接計算得出流出系數值。內錐式流量傳感器目前還沒有國家標準，流出系數需要通過實流標定獲得。設計研制出的樣機經水流量標準裝置標定，差壓變送器采用羅斯蒙特3051型壓力及差壓變送器，標定管徑范圍DN15～DN600，采用靜態質量法進行標定，系統精度達到0.05%。

研制的新型內錐式流量計出廠前通過了嚴格的出廠檢驗及水流標定試驗，選取DN25、DN50、DN100、DN150、DN200、DN300六種管徑內錐式流量傳感器進行水流標定實驗，實驗數據如表1所示。

每臺傳感器選取4～7個測量點，每個點重復測量3次，進行數據采樣。

傳感器的重復性取各個測量點重復性的最大值。

標定的傳感器流出系數C：

傳感器線性度誤差δ：

式（5）、（6）中：Cmax——各個測量點流出系數平均值的最大值；

Cmin—— 各個測量點流出系數平均值的最小值。

通過實驗傳感器在8？誜1量程比范圍內，達到了線性度0.5%，重復性0.2%設計要求。

5 結束語

新型的內錐式流量傳感器采用了獨特內部前后錐體結構，當流體接近錐體時，管道中心流速變慢，管道壁附近的流速逐漸加快，從而對管壁、節流件表面附近具有吹掃和沖刷作用，避免了流體中的殘渣、凝結物或顆粒的滯留。特別是在測量高爐煤氣、焦爐煤氣等介質時，通過現場使用，發現錐體表面依然光潔，具有自清潔功能。流體流經錐體時逐漸收縮加速，沿錐體形成邊界層，引導流體離開錐體的尾部邊緣，減小了被磨損的可能性，保證了β值的長期穩定不變，流出系數也可以長時間穩定，實現長期精確測量而不需重復標定。傳感器具有的自整流、自清潔功能，適宜于測量高粘度、含雜質和固體顆粒、易結垢的特殊介質的測量，并且流量測量范圍寬，量程比可以達到8：1，測量管徑范圍DN15～DN2000。和其它流量傳感器相比，內錐式流量傳感器具有更強的抗干擾能力、更短的前后直管段安裝要求以及壓力損失小等顯著優點，特別適合于臟污以及低壓力小流量介質的測量。目前新型內錐式流量傳感器已經設計生產數千臺，廣泛應用于冶金、石化、化工、天然氣輸送、電力等行業的各種液體、氣體、蒸汽的流量測量，取得了非常好的測量效果，為企業創造了良好的經濟效益。

參考文獻：

[1]SNSingh.上游流動干擾對V錐流量計性能的影響[J].孫延柞，譯 計量裝置及應用，2008（3）：24-29.

[2]徐英，于中偉，張濤，李剛.V 形內錐流量計設計關鍵參數對流出系數的影響[J].機械工程學報，2008，44（12）：105-111.

[3]孫德志.V錐流量計的優化設計[J].機械設計與制造，2009（3）：9-11.endprint