变径整流器在流量测量中的应用
王京安 于维龙
一、概述
传统的流体整流器经长期的研究与实践已趋于成熟，它一般采用阻隔体分隔流道来调整管道内的速度分布，以达到整流的目的；这一类整流器主要用于实验室和流量标定系统。但这种方法易引起污物堵塞和增加阻力损失，所以在工业管道上很少采用。
涡街流量计由于其独特的性能，一直受到人们重视，并己到了广泛的应用，但仍有两个方面的问题困扰着人们，一是由于仪表上游管道阻流件的干扰，流场发生畸变，影响旋涡正常拨离。为了克服流场扰动，仪表前需要配装较长直管道(一般为15~40倍的工艺管内径的长度)，而在实际现场是很难满足的。二是，涡街流量计主要特点之一是量程宽，一般在10：1左右，应该说这样宽的测量范围应属比较优良的性能，但在实际工业应用中，最大流量远低于仪表的上限值，最小流量又往往会低于仪表的下限值，一些仪表经常工作在下限流量附近，造成仪表的计量准确度下降，这时信号较弱，仪表的抗干扰能力也下降。为了测量小流量，人们往往采用内腔形状为园台的传统变径管，经过缩径提高测量处的流速。使涡街流量计工作在正常流速范围内，但这种变径方式，结构尺寸大(一般长度为工艺管内径的3~5倍)，同时，由于流体流经变径管，在变径处产生大量旋转流团，增大局部阻力损失，也使流场发生畸变。所以必须在变径管与仪表之间加装大于15倍工艺管内径长度的直管道进行整流，且增加了沿程阻力损失(如图1所示)，这种方法增加施工成本，也给加工、安装带来不便。
（图1）
纵端面采用特殊形线的变径整流器(己申报国家专利)，具有整流，提高流速及改变流速分布的多重作用，其结构尺寸小，长度仅为工艺管内径的1/3，可以直接卡装在仪表的两端，不仅不需要另外附加直管道，而且可以降低仪表对上游直管道的要求。实验表明：仪表上游阻力件为一个平面内的两个90°弯头 在一般情况下，涡街流量计上游侧应加装大于20倍管道内径长度的直管道，而涡街流量计加装了变径整流器大大降低了对上游测直管道长度的要求，其阻力远远小于传统的变径管。更主要的是，可使下限流速降为原来的1/3，量程比提高到15：1以上。 ’
二、原理及分析
首先应该指出，传统的变径管可以经过缩径，并配以较小口径的流量计来达到测量小流量的目的，但是这种方法不可能扩大仪表的量程比，因为它并末改变管道的流速分布状态。我们知道，涡街流量计的理论及推导是基于在无穷大的均匀流场中得到的，而在实际封闭圆管中，却是非均匀流场，横断面的流速分布是一回转抛物面，虽然选择合理的柱型，使柱体两侧弓形面的流速分布均匀，但实际上，工艺管道上回转抛物面的流速分布的影响是客观存在的。实验表明在比较大的流量时，这个影响较小，或说这个影响在允许的范围内；但随着流量的下降，这个影响越来越大，从大量标定数据看，仪表常数总是随着流量的减小而增大。这说明取样点的流速与平均流速差异越来越大。
二、原理及分析
首先应该指出，传统的变径管可以经过缩径，并配以较小口径的流量计来达到测量小流量的目的，但是这种方法不可能扩大仪表的量程比，因为它并末改变管道的流速分布状态。我们知道，涡街流量计的理论及推导是基于在无穷大的均匀流场中得到的，而在实际封闭圆管中，却是非均匀流场，横断面的流速分布是一回转抛物面，虽然选择合理的柱型，使柱体两侧弓形面的流速分布均匀，但实际上，工艺管道上回转抛物面的流速分布的影响是客观存在的。实验表明在比较大的流量时，这个影响较小，或说这个影响在允许的范围内；但随着流量的下降，这个影响越来越大，从大量标定数据看，仪表常数总是随着流量的减小而增大。这说明取样点的流速与平均流速差异越来越大。
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采用了变径整流器后（见图2），由于缩经断面的流速在逐渐增大，在断面上各点流速的增加是不一样的，靠近中心流速增加小，而靠近喉径边沿处流速增加大。
设整流器进口处压力为P1，平均流速为V1，某点上的速度不均匀度为U1，出口处压力为P2，平均流速为V2，通过进口处某点同一流线，在出口处的速度不均匀度为U2，沿该流线，由伯努利方程得： |
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由式（6）可见，收缩比对出口处流速均匀度的影响，即对于一定的进口速度不均匀度，
出口处的速度不均匀度将缩小n2倍。因此出口处流速趋于均匀，更接近涡街流量计理论的均匀流场的条件，不仅使漩涡趋于稳定，且提高了仪表的测量范围。另外，这种变径整流器，在流体动能的转换过程中有效的抑制了干扰。
三、实验验正
例1：一台口径为40mm的涡街流量计安装在φ40的工艺管道上，标定满足精度1%的量程比为8：1，当安装在φ50工艺管道上，并在仪表两侧安装变径整流器，在15：1的范围内精度为1.0%。
例2：二台口径为50mm和40mm涡街流量计配装整流器后，分别安装在口径为80mm工艺管道上，进行水标定。实验数据见表1。
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工艺管内径/整流器喉部直径（mm）
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仪表常数
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重复性
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非线性
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量程
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最小流速（米/秒）
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80/50
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17452
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0.05%
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0.95%
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15:1
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0.1
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80/40
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10197
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0.04%
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0.78%
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15:1
|
0.16
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[表1]
再将两台口径为φ50mm和φ40mm涡街流量计配装整流器后，分别安装在φ80mm工以管道上，且仪表上游尉为一个平面内两个90°弯头，变径整流器前端与第二个90°弯头距离为3倍工艺管内径长段，进行水标定，工艺图如图3，实验数据见表2
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工艺管内径/整流器喉部直径（mm）
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仪表常数
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重复性
|
非线性
|
量程
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最小流速（米/秒）
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80/50
|
17266
|
0.02%
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0.9%
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16:1
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0.1
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80/40
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10278
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0.15%
|
0.08%
|
15:1
|
0.15
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[表2]
实验结果表明：
1、 在管道流速较低时，采用变径整流器，使仪表特性总体保持良好状态；
2、 采用变径整流器，在仪表上游阻流件形式为一个平面内2个90°弯头，直管道很短（3D）的情况下，仪表常数的偏移在0.7%左右，说明整流器具有良好的流动调整性能。（与实验相同的上游阻流件形式在不装整流器条件下，仪表上游直管道长段为8倍工艺管内径时，仪表常数偏移为2.0%！）
3、 在仪表前加装变径整流器，投展了仪表的测量范围。
这与理论分析是相吻合的。
四、阻力计算
设工艺管道直径为D1, 介质的密度为ρ，流速为V1涡街流量计的压力损失为?ω1， 整流器压力损失为?ω3， 总压力损失为?ω。
?ω1=0.3ρV2 1(Pa)
采用整流器后，仪表口径为D2，则涡街流量计处的流速为V2压损为?ω2。
?ω2=1.3ρV2 2=(V2/V1)2·?ω1=(D1/D2)4·?ω1
整流器的压损，取决于缩径比D2/D1，之值一般都在0.8以上，则整流器的压损：
?ω3=0.12?ω2
所以总的压损?ω为：?ω=1.12?ω2=1.12（D1/D2）4×1.3ρV2 1（Pa）
例：管径为D1=100mm的水计量系统，采用涡街流量计作为流量计量仪表，其最大流速Vmax为1m/s，其最小流速Vmin为0.3m/s，拟采用100/80整流器计算各相关参数：
缩径后流速为V2：V2max=(100/80)2×1=1.56m/s
V2min=0.47m/s
?ωmax=1.12(D1/D2)41.3ρV2 1
=1.12(100/80)4×1.3×998×1=3547(Pa)
五、应用举例
加装变径整流器满管式涡街流量计已大量用于气体、水、蒸气等介质的测量，其实例枚不胜举，均收到了令人满意的效果。
更值得一提的是，将变径整流器与插入式涡街流量计配套使用(见图4)，用于大口径煤气测量，成功地解决了大口径煤气介质脏，流速低、流量变化大，允许压损小等者大难问题。
在冶金行业中，测量大口径煤气一般采用孔板流星计，由于其自身的局限性，很难满足实际测量要求，其问题是：①煤气中含有粉尘和各种杂质，经一段时间运行，大量粉尘堆积在孔板的上游侧，各种杂质附着在测量元件表面，就孔板来说，已无准确度可言，同时又经常发生导管堵塞的问题。由于生产的连续性，不可能停气清洗或更换孔板。②由于介质
流速低，为获得较大的差压，孔板的开孔径一般都比较小，造成压损大，当流量增大时，孔
板却起不了限流作用，遇到此类情况，有些企业不得不拆除孔板来满足生产。③普通孔板流量计的量程近为3：1，往往不能满足实际工况的需要。
已投入实际运行的变径整流器与插入式涡街流量计所构成煤气流量计量系统：①变径整流器入口处为光滑曲线，介质流经时，有自清洗的效果，不会造成粉尘堆积。②变径处流速提升可满足插入式涡衔流量计下限流速的要求，且涡街流量计量程比为10：1，完全满足煤气测量范围的要求。③插入式涡街流量计可在管道不断流的情况下拆出测头进行定期或不定期清洗。满足连续生产的要求。④压损小，插入式涡街流量计测头部分在大口径管道内的流阻很小可忽略不计，变径部分的变径比一般都大于0.7，管道最大流速按25米/秒计算，压损仅在200Pa以内。
上述表明，此种方法是解决大口径煤气计量的行之有效的方法。
六、结束语
涡街流量计与变径整流器配套使用，形成了一种新的流量测量系统，可使流量测量下限为下降（为原来的1/3），测量范围扩大(15：1以上)，并可以大大降低仪表对上游直管道长度的要求。这对一个流量计来讲无疑是一个不小的进步，它拓宽了涡街流量计的应用范围，在燃气、 城市煤气、水、热水、蒸汽、油品、奶液、药液、化工产品(上述介质一般要求下限流速低，测量范围宽)的流量测量中将发挥突出优势。变径整流器在工业用户中实际应用情况还表明，变径整流器简化了仪表安装工艺，并且大大降低了工程造价。
变径整流器研究与应用是流量应用技术研究的典型实例，它本身的研究还有待于进一步的深入，同时我们还应进一步关注其它与流量钡幢相关的应用技术研究，充分利利用现有的技术设备资源，真正解决一些流量测量的难点问题。
1、 在管道流速较低时，采用变径整流器，使仪表特性总体保持良好状态；
2、 采用变径整流器，在仪表上游阻流件形式为一个平面内2个90°弯头，直管道很短（3D）的情况下，仪表常数的偏移在0.7%左右，说明整流器具有良好的流动调整性能。（与实验相同的上游阻流件形式在不装整流器条件下，仪表上游直管道长段为8倍工艺管内径时，仪表常数偏移为2.0%！）
3、 在仪表前加装变径整流器，投展了仪表的测量范围。
这与理论分析是相吻合的。
四、阻力计算
设工艺管道直径为D1, 介质的密度为ρ，流速为V1涡街流量计的压力损失为?ω1， 整流器压力损失为?ω3， 总压力损失为?ω。
?ω1=0.3ρV2 1(Pa)
采用整流器后，仪表口径为D2，则涡街流量计处的流速为V2压损为?ω2。
?ω2=1.3ρV2 2=(V2/V1)2·?ω1=(D1/D2)4·?ω1
整流器的压损，取决于缩径比D2/D1，之值一般都在0.8以上，则整流器的压损：
?ω3=0.12?ω2
所以总的压损?ω为：?ω=1.12?ω2=1.12（D1/D2）4×1.3ρV2 1（Pa）
例：管径为D1=100mm的水计量系统，采用涡街流量计作为流量计量仪表，其最大流速Vmax为1m/s，其最小流速Vmin为0.3m/s，拟采用100/80整流器计算各相关参数：
缩径后流速为V2：V2max=(100/80)2×1=1.56m/s
V2min=0.47m/s
?ωmax=1.12(D1/D2)41.3ρV2 1
=1.12(100/80)4×1.3×998×1=3547(Pa)
五、应用举例
加装变径整流器满管式涡街流量计已大量用于气体、水、蒸气等介质的测量，其实例枚不胜举，均收到了令人满意的效果。
更值得一提的是，将变径整流器与插入式涡街流量计配套使用(见图4)，用于大口径煤气测量，成功地解决了大口径煤气介质脏，流速低、流量变化大，允许压损小等者大难问题。
在冶金行业中，测量大口径煤气一般采用孔板流星计，由于其自身的局限性，很难满足实际测量要求，其问题是：①煤气中含有粉尘和各种杂质，经一段时间运行，大量粉尘堆积在孔板的上游侧，各种杂质附着在测量元件表面，就孔板来说，已无准确度可言，同时又经常发生导管堵塞的问题。由于生产的连续性，不可能停气清洗或更换孔板。②由于介质
流速低，为获得较大的差压，孔板的开孔径一般都比较小，造成压损大，当流量增大时，孔
板却起不了限流作用，遇到此类情况，有些企业不得不拆除孔板来满足生产。③普通孔板流量计的量程近为3：1，往往不能满足实际工况的需要。
已投入实际运行的变径整流器与插入式涡街流量计所构成煤气流量计量系统：①变径整流器入口处为光滑曲线，介质流经时，有自清洗的效果，不会造成粉尘堆积。②变径处流速提升可满足插入式涡衔流量计下限流速的要求，且涡街流量计量程比为10：1，完全满足煤气测量范围的要求。③插入式涡街流量计可在管道不断流的情况下拆出测头进行定期或不定期清洗。满足连续生产的要求。④压损小，插入式涡街流量计测头部分在大口径管道内的流阻很小可忽略不计，变径部分的变径比一般都大于0.7，管道最大流速按25米/秒计算，压损仅在200Pa以内。
上述表明，此种方法是解决大口径煤气计量的行之有效的方法。
六、结束语
涡街流量计与变径整流器配套使用，形成了一种新的流量测量系统，可使流量测量下限为下降（为原来的1/3），测量范围扩大(15：1以上)，并可以大大降低仪表对上游直管道长度的要求。这对一个流量计来讲无疑是一个不小的进步，它拓宽了涡街流量计的应用范围，在燃气、 城市煤气、水、热水、蒸汽、油品、奶液、药液、化工产品(上述介质一般要求下限流速低，测量范围宽)的流量测量中将发挥突出优势。变径整流器在工业用户中实际应用情况还表明，变径整流器简化了仪表安装工艺，并且大大降低了工程造价。
变径整流器研究与应用是流量应用技术研究的典型实例，它本身的研究还有待于进一步的深入，同时我们还应进一步关注其它与流量钡幢相关的应用技术研究，充分利利用现有的技术设备资源，真正解决一些流量测量的难点问题。
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