新型内锥式流量传感器设计研究

秦萍

摘要： 新型的内锥式流量传感器采用独特的前后锥体流线结构，实现了边壁逐渐收缩节流，具有测量压力损失小、需要的直管段短等优点；同时具有流体整流功能及自清洁功能，由于管道内流体沿锥体表面离开锥体，还具有了自保护功能、耐磨损、可以长期保持稳定性，不需要重复标定；由于负压侧扰动小，可以达到8：1的量程比，测量范围宽。根据多年新型内锥式流量传感器的设计经验及借鉴国内外最新研究成果，确定了新型内锥式流量传感器的结构设计及参数设计方法，研发产品已通过出厂实流标定及工业现场应用，达到了线性度0.5%，重复性0.2%设计要求。

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%.

關键词： 内锥式；流量传感器；等效直径比；压力损失；流出系数C

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

中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）33-0125-04

0 引言

以孔板、文丘里管为代表的差压式流量计是基于流体流动的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量，是目前生产中测量流量最成熟、最常用的方法之一。差压式流量计长期以来在流量测量中占有重要的地位，但也存在着测量精度低、测量范围度窄、产生的压力损失较大、易磨损、要求的上、下游直管段长度较长，不能测量混相流、脏污流等问题。新型内锥式流量传感器（以下简称传感器）是近年发展起来的一种新型差压式流量传感器，是差压式流量测量的质的飞跃。传感器采用独特的不同前后锥角锥体节流件，具有自整流、自清洗、自保护的特性。经过大量现场应用证明，内锥式流量传感器具有受安装条件局限小，长期精度高、耐磨损、稳定性好、压损小，适合脏污介质测量，雷诺数范围达到8×103～1×107，测量范围宽等优点。该传感器与高精度差压变送器配套，可以实现对天然气、液体、蒸汽等各种介质的体积流量及质量流量的精确测量。特别是在低流速、脏污介质的测量中表现出优越的性能。

1 内锥式流量传感器测量原理

内锥式流量传感器是以一个同轴安装在测量管内的两头锥度不同的尖圆锥体为节流件的新型差压式流量传感器，集耐磨孔板、文丘里管优点于一体。内锥式流量传感器改变了节流布局，利用悬挂在管道中心流线型圆锥体将流体逐渐收缩到管道内边壁，流体在节流元件的作用下，经过均速、整流的过程，如图1所示。

根据管道中理想流场流速分布规律：越靠近管道中心，流速越大，管线中心流速最大；越靠近管道边壁，流速越低，在管壁处流速接近于零。大多数流量测量传感器无法改变这种快慢不均的状态，只能假设管道中流速是均等的，因此会造成测量误差。对于内锥式流量传感器，当流体流经安装在管道中的锥体时，锥体和流体中的高速中心部分相互作用，使得高速的中心部分与靠近边壁的低流速部分流体均匀化，具有了均速作用；同时传感器可以等效为一个管式整流器，上游处各种外界因素引起的不规则的流动经过这个逐渐减小的通道时，进行矫正整流使到达测量区的流体形成规则的流动，具有自整流功能。随着流速的降低，自整流作用更加显著，扩大了传感器的测量范围。因此传感器在低流速测量及扰动流体中也能取得稳定和精确的差压值。普通的节流装置进行流量测量时，现场必须提供足够长的直管段才能保证测量的准确性，在工业现场的管道布置有弯头、阀门、缩扩径管等都会破坏流场，一般流量仪表很难在扰动流动中取得准确测量值。传感器的锥体结构设计具有自整流的特性，使其对现场安装条件要求大为降低，一般前0～3D 直管段，后0～1D 直管段即可保证测量精度。endprint

内锥式流量传感器与其它差压式流量传感器测量原理一样，是基于伯努利方程和流体连续性方程。当流体流经锥形节流件与管道壁所形成的间隙时，由于间隙越来越小，流体流速不断加快，在锥体的最大直径处达到最大，这时静压降低，在锥体节流件的前后产生差压，该差压的正压取自上游流体收缩前管壁处测量的静压力，而负压取自圆锥体尾部中心轴线处压力，通过对压差的测量实现对流体流量的测量。

流体流动遇到阻挡物时会产生旋涡流，内锥式传感器的结构是边壁节流，流通面积逐渐减小，产生的是频率高而振幅小的旋涡流，并且干扰流的分布是等量相反相互抵消的，因此干扰程度大大降低[1]。孔板等传统节流件是中心节流，产生的干扰流方向直接指向取压口，严重干扰了测量信号，特别是小流量时干扰信号甚至大于测量信号，因此孔板节流件的测量范围较窄，量程比仅为3：1或4：1。

2 内锥式流量传感器结构设计

内锥式流量传感器根据测量管径的不同，设计结构主要采用悬臂梁式、单支撑式和双支撑式三种结构形式。

2.1 L悬臂梁式结构

对于DN15～DN65的小管径，锥体体积小，重量轻，悬臂较短，设计采用悬臂梁式结构，减小对流场的影响，如图2所示。

2.2 单支撑型结构

对于DN80及以上的测量管径，锥体较大，为减轻锥体重量，锥体设计为空芯；悬臂较长，在流体中受压面积加大，同时流体振动也会影响锥体的稳定性，影响测量精度，因此在锥体后面增加三角形支撑架，加强锥体的稳定性和牢固性，如图3所示。

2.3 双支撑式结构

对于DN500及以上的测量管径，为了加大内锥体的牢固性，防止锥体脱落造成重大安全隐患，内锥体除了设计为空芯以外，支撑方式也设计为前后双支撑，如图4所示。锥体更加稳固，同时可以更好保证锥体的同轴度。不足之处是前支撑加入，会引起流场的微小变化，但在管径较大的时候，这个不足不会对传感器的流出系数稳定性和精度产生影响。

3 内锥式流量传感器的参数设计

3.1 β值设计

对于内锥式流量传感器，流体流经锥体的空间为一个圆环，需要将流体通过的圓环面积等效为圆面积，所以内锥式流量传感器的直径比是等效直径比。设管道内径为D，节流锥体最大节流处横截面的直径为d，则等效直径比β的计算公式为：

内锥式流量传感器经过推导和单位换算，其流量基本方程式为：

实验发现β值一定时，内锥式流量传感器的流出系数有随着雷诺数的增大而增大的趋势，与标准孔板的流出系数C与β值的关系不同。标准孔板的β值一定时，雷诺数越大，流出系数减小；相同雷诺数条件下，随着β值增大，流出系数增大。对内锥式流量传感器而言，相同条件下β值越大，流出系数越小，压力损失小，同时输出的差压也较小，对于差压在1kPa以下时，需要配套选用微差压变送器，差压变送器的零点漂移易影响测量精度，对差压变送器要求较高。β值设计的小，流出系数增大，压力损失较大，流体输送能量损失增大，节能降耗是选型设计需要考虑的重要因素。综合考虑到β值对产生的差压值、流出系数及压损的影响，结合实际工况条件下用户要求，β值的设计范围一般为0.45～0.85。

3.2 前后锥角设计

根据研究人员的仿真及实流标定研究结果[2]，β值一定时，前后锥角对流出系数的大小及线性度均有影响，前锥角对流出系数具有决定性的影响，而后锥角对流出系数的线性度具有一定程度的影响；较大的前锥角可减弱雷诺数对流出系数的影响。

相同β值，前锥角越大，则锥体前部分越短，流体加速度变大，产生的摩擦力加大，造成的压力损失增大[3]。设计时采用前锥角45°～60°，DN500以下管径，前锥角一般设计为45°；DN500及以上管径考虑到锥体长度给加工制作带来的难度，前锥角设计大一些。仿真及实验研究证明后锥角对流出系数影响较小，后锥角越大，信号稳定性越好，后锥角一般设计为130°～140°。

4 实际流量标定实验

从流量方程看出流出系数C是多个参数的函数，和很多因素有关。对于节流式装置可以通过两种方法取得流出系数值。第一种是按照设计标准给出标准节流装置的流出系数，比如孔板、喷嘴及经典文丘里等；第二种是对流量传感器进行实流标定，间接计算得出流出系数值。内锥式流量传感器目前还没有国家标准，流出系数需要通过实流标定获得。设计研制出的样机经水流量标准装置标定，差压变送器采用罗斯蒙特3051型压力及差压变送器，标定管径范围DN15～DN600，采用静态质量法进行标定，系统精度达到0.05%。

研制的新型内锥式流量计出厂前通过了严格的出厂检验及水流标定试验，选取DN25、DN50、DN100、DN150、DN200、DN300六种管径内锥式流量传感器进行水流标定实验，实验数据如表1所示。

每台传感器选取4～7个测量点，每个点重复测量3次，进行数据采样。

传感器的重复性取各个测量点重复性的最大值。

标定的传感器流出系数C：

传感器线性度误差δ：

式（5）、（6）中：Cmax——各个测量点流出系数平均值的最大值；

Cmin—— 各个测量点流出系数平均值的最小值。

通过实验传感器在8？誜1量程比范围内，达到了线性度0.5%，重复性0.2%设计要求。

5 结束语

新型的内锥式流量传感器采用了独特内部前后锥体结构，当流体接近锥体时，管道中心流速变慢，管道壁附近的流速逐渐加快，从而对管壁、节流件表面附近具有吹扫和冲刷作用，避免了流体中的残渣、凝结物或颗粒的滞留。特别是在测量高炉煤气、焦炉煤气等介质时，通过现场使用，发现锥体表面依然光洁，具有自清洁功能。流体流经锥体时逐渐收缩加速，沿锥体形成边界层，引导流体离开锥体的尾部边缘，减小了被磨损的可能性，保证了β值的长期稳定不变，流出系数也可以长时间稳定，实现长期精确测量而不需重复标定。传感器具有的自整流、自清洁功能，适宜于测量高粘度、含杂质和固体颗粒、易结垢的特殊介质的测量，并且流量测量范围宽，量程比可以达到8：1，测量管径范围DN15～DN2000。和其它流量传感器相比，内锥式流量传感器具有更强的抗干扰能力、更短的前后直管段安装要求以及压力损失小等显著优点，特别适合于脏污以及低压力小流量介质的测量。目前新型内锥式流量传感器已经设计生产数千台，广泛应用于冶金、石化、化工、天然气输送、电力等行业的各种液体、气体、蒸汽的流量测量，取得了非常好的测量效果，为企业创造了良好的经济效益。

参考文献：

[1]SNSingh.上游流动干扰对V锥流量计性能的影响[J].孙延柞，译 计量装置及应用，2008（3）：24-29.

[2]徐英，于中伟，张涛，李刚.V 形内锥流量计设计关键参数对流出系数的影响[J].机械工程学报，2008，44（12）：105-111.

[3]孙德志.V锥流量计的优化设计[J].机械设计与制造，2009（3）：9-11.endprint