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圖例：○—設(shè)計首選； ◎ —在一定條件下可用（向廠家咨詢）； √—通�？捎茫� ╳—不適用。 7.典型產(chǎn)品剖析: 7.1從速度分布,流動調(diào)整及直管段要求作橫向剖析. 為了獲得好的速度分布并且將旋轉(zhuǎn)二次流(渦流)從被測流體中消除,并且為了盡可能的縮短流量計上下游的直管段,大多數(shù)的流量計,如節(jié)流差壓式、超聲、渦輪或渦街流量計都要求在其上游安裝流動調(diào)整器�，F(xiàn)根據(jù)最新公布的ISO標準(或標準草案)以及我國相應的國標分別對幾種主要流量進行剖析并與VNZ流量計作對比. 7.1.1傳統(tǒng)的節(jié)流差壓式流量計: ISO5167的修訂已有10多年的歷史,2003年3月國際標準化組織終于正式公布了新修訂的ISO5167新標準.這個ISO5167新標準所修改的主要內(nèi)容有:[7.8] 7.1.1.1根據(jù)大量數(shù)據(jù)回歸的R/G公式取代了原來的Stolz公式；（參，見ISO5167-2:2003[E]，5.3.2.1節(jié)，流出系數(shù)C）； 7.1.1.2在沒有流動調(diào)整器的條件下，對孔板(或文丘利管)與一些上游阻流件之間所要求的最小直管段提出了全新的及更長的要求，詳見ISO5167-2:2003(E)，表3，P.16以及本冊的表1、表2及表3。 7.1.1.3如在孔板上游安裝流動調(diào)整器，則可以適當縮短孔板上游直管段，詳見ISO5167-2:2003(E)，表4，P.23； 7.1.1.4 采用新公式來計算孔板的可膨脹性系數(shù)（具體請參見ISO5167-2:2003(E)，5.3.2-2節(jié)） 7.1.1.5修訂了關(guān)于孔板的不同軸度，不平面度及孔板上游管道粗糙度的限制要求。 與修訂前ISO-5167相比較，以上5條都是有實質(zhì)性變化的內(nèi)容,其中最主要的一條變化就是對孔板等節(jié)流裝置的上游最小直管段提出了全新的和加長的要求.現(xiàn)僅舉一個實例來說明ISO5167新舊標準的變化：如果將一個β值為0.6的孔板安裝在單個90°彎頭之后，那么按舊標準要求的上游最小直管段L1 =18D。新標準則要求L1=42D，新舊標準所要求最小直管段的差值△L1=+24D，現(xiàn)在ISO5167-2：2003（E）新標準已正式公布，原有的按老標準所設(shè)計選定的L1 ，由于太短（僅18D），該孔板流量計已不符合新標準的要求，在此種情況下唯一補救的辦法就是按新標準4的要求，在該β=0.6的孔板的上游13D處安裝一個19根管束的流動調(diào)整器，安裝工作包括切開線，焊接法蘭，裝入流動調(diào)整器，清洗，吹掃，打壓，耐壓測試與試漏等一系列的工作。如果孔板很多，很明顯工作量則相當巨大。 目前已研制出多種新型流動調(diào)整器，利用它們有助于在傳統(tǒng)節(jié)流 差壓式流量計入口處保持一個較好的速度分布,然而一般說來VNZ流量計則不需要任何流動調(diào)整器械.VNZ流量計本身能(修正)矯正已畸變的速度分布.這主要是由于流體與內(nèi)錐的相互作用,測試結(jié)果證明:V形內(nèi)錐有整流作用,它不但能改善速度分布還能在很大程度上消除旋渦二次流,詳見圖11(a)和圖11(b)[9] 畸變的速度分布 由內(nèi)錐造成的新的速度分布
圖11(a)內(nèi)錐的整流作用
圖11(b)V形內(nèi)錐的整流作用 由于VNZ流量計并不受速度分布的影響,因此可將這種VNZ流量計安裝在一個普通差壓式流量計無法適用的很短的直管上或很 小的安裝地點內(nèi).由于減少了上下游直管段及流動調(diào)整器,安裝空間及占地面積都大大減少,因此可以使原始投資大大削簡. 一個VNZ流量計的典型安裝圖如圖12所示.請注意VNZ流量計所要求的上游直管為0至3D,而其下游所要求的直管段為0至1D。
圖12 VNZ流量計的典型安裝圖 7.1.2 多聲道氣體超聲流量計(USM) 在現(xiàn)行的我國國標GB/T18604-2001[11]及AGA9號報告[12]中推薦的上游最小直管段長度l1為10D,下游最小直管長度l2 為5D 。 在關(guān)于氣體超聲流量計的ISO國標標準(草案)ISO/WD17089[10]中已不再推薦l1 和l2 ,其原因是:由于超聲流量計的類型,其上游的管道配置和流動調(diào)整器在具體情況下變化很大,因此要想對超聲流量計上游的直管段實現(xiàn)標準化實際上是不可能的。為克服安裝條件的影響,為減小由于上游管道配置所帶來的誤差,可以采用以下三種方法: (1) 增加超聲流量計上下游的直管段長度; (2) 使用流動調(diào)整器;并認定流動調(diào)整器是USM不可分的一部份。 (3) 在盡可能接近(類似)實際工作條件的條件下進行實流校準因此各個廠家所宣布的推薦的上下游直管段都不相同,例如:Daniel(丹尼爾)公司公布(1)在沒有流動調(diào)整器的條件下,SeniorSonic所要求的上游直管段長度L1至少是 20D, L2至少是 5D;(2)當采用CPA50E和丹尼爾的Profiler流動調(diào)整器(FC)時,流量計上游L1=10D處應安裝FC,在FC之前(上游)應還有5D的直管段 ;(3)當采用GFC VAS流動調(diào)整器時,在l1 =10D處安裝流動調(diào)整器,該流動調(diào)整器占5D管長,在它的上游至少還有5D的直管段。 Instromet (英斯卓美)公司則宣布:對于該公司的Q.Sonic-4c,超聲流量計表體長度為3D(或4D)；在流量計表體前3D處安裝改進型的Spearman厚板式流動調(diào)整器（FS-3），在FS-3的上游需要有2D的直管。即l1 總長為5D，下游l2 為2D。這是USM至今最短的上下游直管段要求。然而，如前所述，VNZ流量計所要求的上游最小直管段長度l1 是0至3D；下游最小直管段長度l2 是0至1D，而且不需任何流動調(diào)整器，這是任何一種氣體超聲流量計都不能夠與之相比的。 7.1.3氣體渦輪流量計 由于渦輪流量計與超聲流量計一樣同屬于速度式流量計，因此氣體渦輪流量計的性能也同樣受速度分布及旋渦二次流的影響。關(guān)于氣體渦輪流量計的國際標準ISO9951:1993(E)規(guī)定：在高水平干擾及低水平干擾的下游2D處安裝氣體渦輪流量計，該流量計上、下游的直管段都是2D。受高（或低）水平干擾的影響、氣體渦輪流量計的附加誤差應不大于±0.3％（被測流量值的±0.3％）。因此在氣體渦輪流量計的上游應安裝流動調(diào)整器。 為了使氣體渦輪流量計具有抗干擾的能力，Instromet（英斯卓美）公司將所研發(fā)的X4X兩級流動調(diào)整器整合到SM—RI型渦輪流量計中組成了一體化的SM—RI—X型氣體渦輪流量計。1994—1995年經(jīng)歐洲、德、法、荷、意等國的五大燃氣企業(yè)的聯(lián)合測試組GERG的測試證明：SM—RI—X完全符合ISO9951的各項要求。 與SM—RI—X相比，VNZ流量計上游僅要求0至3D的直管段，下游僅要求0—1D 的直管段，而且VNZ流量計不需要整流器。VNZ流量計可測量清潔或臟污的氣體（或液體），在它的上游不需要安裝過濾器，可測高溫流體這些都是它的優(yōu)點。不足之處是：有關(guān)VNZ流量計在ISO9951規(guī)定的高∕低水平干擾下游 2D處的全面測試，未見報導，類似的測試有報導。 7.2從儀表的可靠性及信號的穩(wěn)定性作剖析 大多數(shù)的節(jié)流式差壓流量計都沒有可動部件，因此可以認為它們在機械性能方面是穩(wěn)定的，然而，雖然標準孔板早已列入國際標準ISO5167和我國國家標準GB2624,但它在結(jié)構(gòu)上是有其固有弱點的，它在實際使用中是不耐用的。一塊孔板的使用期限可以是十年或更長，但在安裝投運后僅4至5個月，其入口邊緣的尖銳度就已開始遭到破壞。在使用中，由于流體的磨蝕作用，特別是對于高壓、或高流速含顆粒的流體以及高溫蒸汽等，它的入口邊緣將更快地變鈍，被磨成圓形入口邊緣。其結(jié)果是：在相同的流量下，孔口后流體的收縮程度減弱，差壓不斷降低，會形成日益增大的負的流量誤差�？装宄隹谔幍牧魇钚〗孛娣e在入口被磨蝕后已經(jīng)增大，如果在此狀況下能夠標定，自然會發(fā)現(xiàn)該孔板的流出系數(shù)已經(jīng)增大，但使用中仍沿用按標準公式計算得出的較小的系數(shù)。因此會出現(xiàn)日益增大的負的系統(tǒng)誤差。孔板是當今各工業(yè)部門中使用量最大，應用面最廣的一種計量器具，然而它的精確度卻是使用時間的函數(shù)，即越用越不準。因此有必要用另一種更先進的節(jié)流裝置來取代孔板。其它節(jié)流式流量計也有類似的問題�？梢钥闯鋈绻麤Q定β值的幾何形狀改變了就會對測量精度有影響，因此對傳統(tǒng)的節(jié)流式流量計，流體的磨蝕是影響流量計性能的一個問題。 VNZ流量計的設(shè)計和制造，可以確保它決定β值的邊緣不會由于接觸流體而被磨損。當流體流入VNZ流量計表體內(nèi)時，高速的核心流動將被迫按照流線的路徑與靠近管內(nèi)壁的邊界層相互作用，于是一個二次形成的邊界層會沿著錐體周圍的區(qū)域被重新分布。其純結(jié)果就是一個接近于管內(nèi)流速的完全混合，從而可以使流量計按預計的方式工作，正常發(fā)揮其性能。在長期使用后，如果在錐體的前端（即頭部）產(chǎn)生磨蝕，也不會影響VNZ流量計的性能，而且這里通常都使用堅固的材料來制作它或者該處有堅固的支撐結(jié)構(gòu)，如圖13所示[9] 邊 界 層 效 應
圖13錐體周圍的邊界層效應及決定直徑比β值的邊緣 對于大多數(shù)其他類型的差壓式流量計信號的穩(wěn)定性可以是一個主要問題，它們可能會造成信號的多次反射。對于VNZ流量計來說，在其內(nèi)錐體的尾部產(chǎn)生的是一種高頻率低幅值的旋渦。這種類型的信號會增強差壓變送器的性能，使之能測量更小的差壓，從而使量程比（范圍度）增大。這主要是由于信號并沒有被造成誤差的噪聲所淹沒。在壓縮機控制的使用場合，如使用VNZ流量計將是理想的。 對于內(nèi)錐體在其尾部所得的是高頻、低幅值的波動信號，如圖14（a）所示。對于孔板，所測得的是低頻、高幅值的波動信號，如圖14（b）這對測量不利。
圖14（a）VNZ流量計信號 圖14（b）孔板的信號 7.3 從幾種流量計的購置費用進行剖析： 一般說超聲的購置費用最高，渦輪流量計的購置費其次，VNZ流量計最低而且它對不同被測介質(zhì)的適應能力強，對不同工況條件的適應范圍也寬，雷諾數(shù)的適用范圍也更寬。其他如測量穩(wěn)定性好，工作耐用可靠，要求直管段短，適宜測臟污流體更是它的突出優(yōu)點。因此，VNZ流量計無疑地是一種物美價廉的優(yōu)秀的流量計，它是取代孔板等差壓式流量計的最佳更新?lián)Q代的產(chǎn)品。 8.利用VNZ流量計解決流量測量難題的典型用例分析 8.1濕氣體的流量測量難題 采用孔板測量濕氣體時，產(chǎn)生相當大的誤差，這是由于當氣體被水飽和時，差壓變送器的響應時間會造成計量誤差，再加上如孔板的上、下游存留著水時，會造成測量上的難題。當采用VNZ流量計取代了孔板后的結(jié)果是獲得了很小的不確定度。其測量結(jié)果的前后對比如圖15所示。在圖15的下半部份示出使用孔板測量濕氣體流量的記錄曲線。由于在孔板的上下滯留有水，于是當水積存多了就形成了“氣水相混”的團狀流動的條件。其結(jié)果是：使用孔板的計量站的不確定度變成超范圍的增大變寬。而當有氣水相混的團狀流動發(fā)生時，VNZ流量計則有很快的響應時間，無積水現(xiàn)象。而且VNZ節(jié)流裝置還能同時跟蹤靜壓力的變化。濕氣體流量測量記錄儀上的記錄曲線如圖15所示。該圖的上半部份表明當采用VNZ流量計取代孔板后，它能迅速排除積存的水并正常測量汽團狀流的情況，而該圖的下部是采用孔板時測量汽團狀流流量的記錄曲線。此圖直接取自土地管理局（BLM）計量站的圓圖記錄儀。 關(guān)于利用VNZ流量計測量濕氣體流量的最新報告詳見文獻[14]
圖15 采用孔板和VNZ測量濕氣體流量的記錄曲線 8.2焦爐煤氣流量測量難題 焦爐煤氣中的萘和焦油會凝析出來并沉積在孔板上，使得無法利用孔板實現(xiàn)有效的計量，另外它還是一種低靜壓，低流速的氣體，在VNZ 流量計出現(xiàn)之前，焦爐煤氣的流量測量一直是一個眾所周知的難題。請看瑞典的鋼鐵公司是如何利用VNZ（V—cone）流量來解決此難題的。 V—Cone流量計的典型用例分析 焦爐煤氣的流量測量 瑞典 SVENSKT SKAL OXELOSUND 使用的氣質(zhì)條件： 焦爐煤氣是焦碳生產(chǎn)廠的副產(chǎn)物，在SSAB公司它被用來作為軋鋼廠中窯爐的主要燃料。這種焦爐煤氣包含有許多帶來難題的成份，比如萘、銨的水合物和焦油。這些氣體的組份獨特地會從氣體中分離出來，并在管內(nèi)壁和管內(nèi)其他構(gòu)件上凝析并積結(jié)起來。 由于在管道及流量檢測元件的內(nèi)表面上有固體物質(zhì), 積結(jié)，使得對焦爐煤氣的流量監(jiān)測變得格外困難。這種嚴重的積結(jié)經(jīng)常使文丘利管、孔板和圓缺孔板不能進行有效的、準確的流量測量。除此之外，文丘利管或孔板的取壓孔也會被堵塞，從而使得這些差壓一次元件的輸出，即差壓的測量變得困難，甚至無法測, 量。 解決辦法： 由Svenskt Stal Oxelosund選用了一個150毫米直徑的V-cone差壓式流量計，其滿刻度差壓為110mm水柱（差壓范圍）以便進行評價。SSAB公司的儀表工程Lekberg先生負責此V－cone流量計的安裝和評價。在連續(xù)使用一個月之后，Lekberg先生作了如下的報告：“我們將 V－cone流量計裝上后已使用了一個月，然后我和ANSKO（MCCROMETER公司的當?shù)卮恚┮黄饳z查它。使我感到驚奇的是：流量計內(nèi)部是乾凈的并且在錐形體上也沒有明顯磨損的跡象。該量計的性能也是很優(yōu)秀的，我們對它十分滿意”。隨后決定將V－cone流量計放到更加嚴峻的條件下去進行試驗。將它留在管道上再運行兩個整月，以便觀察V－cone流量計是否仍能繼續(xù)正常工作并看看在錐形體上是否會發(fā)現(xiàn)有某種磨損。在試驗滿3個月后，Lekberg先生是這樣陳述的：“經(jīng)過三個月的試驗之后現(xiàn)在可以說，V－cone流量計的性能要比我們預計的還要好，并且在錐形體的表面也沒有發(fā)現(xiàn)磨損的跡象，雖然我們的氣體是被嚴重污染的臟污氣體�！� 這種新形的V-cone流量計解決了焦爐煤氣流量測量中的兩個主要難題：即①固體物質(zhì)的積結(jié)（沉積）和由此造成的β比值的改變以及②差壓測量取壓孔的堵塞。利用 V－cone得以實現(xiàn)這些，是由于它本身具有非常獨特的錐形體元件，錐形體與流體相互作用，使在錐形體上游的速度分布得以重新整形。這樣它不但創(chuàng)造一個最佳的速度分布，而且在上游產(chǎn)生了一個壓力區(qū)間，阻止污染物的形成與積結(jié)，從而能保持一個恒定的β比值。由于高壓測量孔也位于此壓力區(qū)間，因此，高壓測量孔也能保持清潔而不被污染物堵塞。由于V-cone的錐形體能在其自身周圍及其下游產(chǎn)生一個受控制的紊流區(qū)，在這紊流區(qū)自然能始終保持清潔而不被污染物積結(jié)，從而使低壓測量（取壓）孔始終保持干凈。 在SSAB的V－cone流量計一直在繼續(xù)正常工作，它不受氣體中污染成分的影響，從而能提供焦爐煤氣的精確的流量數(shù)據(jù)。 這是一個很成功的應用范例。此用例的具體應用數(shù)據(jù)附后： 產(chǎn)品序號出90206Y1 標定參數(shù)： 被測流體參數(shù)： 標稱管道口徑：150mm,管壁厚系列號Sch=40；實際內(nèi)徑= 154.380mm 被沒流體類型：焦爐煤氣（SSAB公司） 質(zhì)量：4.40×10-1比重（在60°F) 錐形體最大直徑：138.329mm 粘度：1.20×10-2CP （厘泊） β值：0.444 等熵指數(shù)KE:1.360 滿刻度時的最大差壓值：11.112cmH20柱 流體溫度：tmin=35℃；t工況=45℃；tmax=60℃ 流量系數(shù)：0.865 管道中的壓力：Pmin=0.08bar(表壓) P工況=0.1bar(表壓) Pmax=0.105bar(表壓) 氣體流量：Qmin=80NM3/h；Q工況=300Nm3/h Qmax=742.996Nm3/h 實際應用：測量范圍（量程比）：9︰1； 線性流速：1.1908到1.1059（±01）m/s 雷諾數(shù)范圍：8.1189×103至7.5404×104 8.3 VNZ流量計可以成功測量的各種流體 一、氣體 ☆煤氣（焦爐煤氣、高爐煤氣、發(fā)生爐煤氣） ☆天然氣，包括含濕量5%以上的天然氣 ☆ 各種碳氫化合物氣體，包括含濕的HC氣體 ☆ 各種稀有氣體，如氫，氦，氬，氧，氮等 ☆濕的氯化物氣體 ☆空氣，包括含水，含SiO2粒子以及含其它塵埃的空氣 ☆煙道氣 二、蒸汽 ☆飽和蒸汽 ☆過熱蒸汽 三、液體 ☆油類，包括原油、燃料油、含水乳化油等 ☆水，包括凈水、污水 ☆各種水溶液，包括鹽、堿水溶液等 ☆含蠟、含油的水 ☆含油、沙的水 ☆甲苯 ☆甲醇、乙二醇等 四、特殊流體 ☆油+HC氣+沙 ☆加氣的水，如H20+N2+空氣；H2O+CO2等。 9 結(jié)論 9.1 對于任何一個測量氣體、液體或蒸汽的場合都可以使用VNZ流量計。如果在該場合要求有高度的耐用性，要求儀表堅固結(jié)實和具有長期的使用壽命，那么VNZ流量計應該是設(shè)計首選的流量計，它的適用面極寬。從本質(zhì)上說VNZ流量計是免維護的也不需要進行定期的重新校準。只有當VNZ 流量計是在極端的工作條件下工作時，才有必要對它定期進行檢查 。 9.2 就象對任何一個一次節(jié)流裝置一樣。必須配套使用較高質(zhì)量的差壓變送器及二次儀表才能充分獲得整體優(yōu)異的系統(tǒng)性能，因此應按照制造廠家的說明書，定期對差壓變送器及二次儀表進行重新校準， 9.3 VNZ流量計雖同屬于節(jié)流式差壓流量計，但它獨特的結(jié)構(gòu)、原理、使得它不但測量準確度高，而且不存在孔板的磨損與積污問題，標定出來的流出系數(shù)不但可以在現(xiàn)場準確復現(xiàn)，而且可以長期保持不變；再臟的氣體也不會使取壓孔堵塞；它的量程比為10：1或15：1；對安裝直管段僅要求0至3D，它的壓損很小，可以在低靜壓、低流速的流體中實現(xiàn)有效的流量測量。VNZ流量計的優(yōu)良計量性能使得它適宜普遍用作環(huán)境監(jiān)測工程中的流量儀表，如監(jiān)測煙道氣的流量、監(jiān)測各種污染物的排放量等，也可用于天然氣、煤氣、供熱蒸氣、污水等的計量，包括用于貿(mào)易輸送的計量與結(jié)算。 9.4 就測量精度而言，多聲道超聲、VNZ、精密氣體渦輪，可屬同一檔次，其次為渦街、旋進旋渦、均速管等。如就抗臟污能力和工作穩(wěn)定性而言，唯有VNZ性能最佳；就其量程比而言，VNZ雖不及超聲和渦輪、渦街等那樣寬，但10：1或15：1用于工業(yè)測量已足夠，特別是VNZ 可以測量小雷諾數(shù)（低流速）的特性，比一般的量程比寬更有實用意義，特別是用于環(huán)境監(jiān)測。VNZ唯一的缺點是欲獲得較高測量精度必須有質(zhì)優(yōu)的差壓變送器與之配套，不過在當今要作到這一點并無多大困難。 9.5 VNZ流量計是基于很成熟的原理工作的，只是它的結(jié)構(gòu)稍有不同，它為差壓式流量計揭開了嶄新的一頁，正在日益顯示其旺盛的生命力。隨著它的推廣使用，將有更多的流量測量難題逐步被解決。
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……………………（3）
，
………………（4）
，則 
； 
，這樣可推導出以下的理論流量公式：
，最后可得出節(jié)流式差壓流量計普遍適用的實際流量公式：
………………（5）
——被測介質(zhì)的可膨脹性系數(shù)，對于液體 
=1；對氣體、蒸氣等可壓縮流體 
＜1；
）取代d2，式中dv—尖圓錐體最大橫截面，圓的直徑：
………………（5）
………………（6）
………………（7）
………………（8）
來修正別努利方程。這是因為在節(jié)流件兩端由于壓力變化所造成的氣體密度ρ的變化并不適用于液體。對于氣體，必須用 
乘以C（即用 
來修正流出系數(shù)C）。對于VNZ流量計的 
的計算公式[5]如下：
=1-（0.649+0.696β4）· 
……………………（10）
可按式（10）計算。一個VNZ流量計由VNZ節(jié)流裝置、差壓信號管線，三閥組組件、差壓變送器及流量計算及顯示儀組成，其整機接線示意圖如以下圖6所示。
