V锥流量计量表的研究

近年来，随着电子技术和计算机技术的不断进步，流量测量仪表也开始向一体化、智能化的方向发展。其中，智能流量计就是一种应用非常广泛的智能流 量测量仪表，它通过对来自不同类型流量变送器流量信号的测量，辅以由温度变送器和压力变送器获得的温度、压力等补偿信号，对不同的流体依照不同的算法进行 实时的流量补偿，从而实现了流体体积流量或质量流量的测量、累积、显示以及输出。除了这些基本功能外，目前的流量积算仪还具备了记录、通信、打印等附加功 能，并有一定的故障诊断和自恢复能力。

智能V锥流量计是在“V”型内锥节流装置的基础之上发展起来的。可同时检测温度、差压、绝压信号，可对流量进行实时的温压补偿。在流量的算法中，运用浮点数进行运算，同时这里采用基于牛顿迭代法的快速开方算法进行浮点数的开方运算。

1 V锥流量计工作原理及温压补偿

1.1智能V锥流量计的工作原理

智能V锥流量计主要由传感器部分和转化部分组成，其中传感器部分包括“V”型节流装置、温度传感器、压力传感器等，转换部分包括采集电路、SD16_A、液晶显示电路等。

1.1.1 流量的测量

V锥流量计是利用同轴安装在管道中的V型尖圆锥将流体逐渐地节流收缩到管道的内边壁，通过测量此V型内锥体前后的差压来测量流量的。V锥节 流装置包括一个在测量管中同轴安装的尖圆锥体和相应的取压口。该测量管是预先精密加工好的，在尖圆锥体的两端产生差压。此差压的高压（正压）是在上游流体 收缩前的管壁取压口处测得的静压力p1，而低压力（负压）则是在圆锥体朝向下游端面，在锥中心轴处所开取压孔处的压力p2，如图所示。该圆锥体的*朝向来流，圆锥体与其尾随面之间是一个尖锐的锐角。此交合面的边缘使得流体在进入下游的低压区之前有一个平滑的过渡区，zui后使流体流过锥体和管道之间的环形间隙。

图1 V锥流量计工作原理图

流量的计算是根据伯努利方程推导得到的。其结论是流管中的流量与“V”型节流元件前后的差压的开方成正比，其体积流量计算公式如下：

（1）

式中：qm为体积流量值，kg/s；c为流出系数；ε为可膨胀系数；β为等效直径比；d为等效开孔直径；ρ为流体的密度，g/m3；Δp为差压值，ΔP=P1－P2Pa。

1.1.2流出系数C

根据ISO4006中对节流式流量计的流出系数的定义为对不可压缩流体流量，实际流量和理论流量的比值（可压缩流体的话，其比值等于流出系 数乘以可膨胀系数）；对于V锥流量计，因为没有标准的文件可依，所以必须用不可压缩流体进行实测。下面是在实验中标定流出系数所设计的标定装置，如图2所 示。

图2 流出系数标定装置

量筒测的是实际体积流量，V锥流量计检测的是理论流量值。对于每一个V锥流量计，在流量公式中所采用的流出系数C是通过流量标定而获得的。C的典型数值范围是0.75～0.85。

1.1.3 V锥流量计的气体可膨胀系数

如果被测介质是气体或蒸气，则必须使用气体可膨胀性系数ε来修正柏努利方程。这是因为在节流件两端由于压力变化所造成的气体密度ρ的变化并不适用于液体。对于液体来说可膨胀系数ε为1，对于气体、蒸汽来说ε＜1。根据ISO4006中定义的气体的可膨胀系数：

（2）

（3）

其中C就是前面标定的流出系数。

虽然没有现在还没有标准的文件可用，但是由于现有的条件有限，不能用跟流出系数那样的装置去标定可膨胀系数。所以这里我采用的是NEL实验 室和McCrometer公司的三位博士在2001年的一次国际流量会议的论文中给出的结论，其基本思想是：根据ISO5167，把C·ε和 Δp/（k·p1）看作是线性关系，用气体作介质试验，把C和ε的乘积求出，再去除以流出系数即可得到可膨胀系数。本课题中并没有直接引用他们的拟合公式，而是采用天津大学徐英教授所拟合出来的公式，其拟合公式如下：

（4）

式中：β为等效直径比；ΔP为差压值，Pa；k为等熵指数，空气的等熵指数为1；P1为静压值，Pa。

1.2 温压补偿

在工况下测量气体质量流量时，由于易受温度、压力的影响导致其偏离理想的工作状态，zui终导致测量结果产生较大偏差。所以，在测量蒸汽质量流量时必须辅以温、压补偿。

1.2.1 过热蒸汽质量流量的温、压补偿

在智能V锥流量中对于过热蒸汽来说，其补偿有两种方案。一种方案是查表差值法。由于过热蒸汽的密度是压力P和温度T的二元函数，因此其密度 表很大，存放这个密度表需要占用很大的存储空间。另外，二元函数的插值也不简单。所以，虽然查表法能够做到很高的补偿精度，却不受人们的喜欢。另一种方案 是公式补偿法。

可采用如下密度补偿公式：

（5）

式中：T为过热蒸汽的温度，℃；p为过热蒸汽的绝压，MPa；a=0.00471；b=10.197；c=1.0336；d=1.32×10-5；e=0.0097。

图3 过热蒸汽质量流量的温压补偿