工控自动化技术文摘：V型内锥式流量计研究（VNZ流量计）

以孔板、喷嘴和文丘利管为代表的差压式流量计成功地应用于工业已愈百年。在积累大量实践经验的基础上，关于标准化差压式流量计的最新国际标准ISO5167—1、ISO5167—2、ISO5167—3和ISO5167—4已于2003年3月由国际标准化组织（ISO）正式公布执行。所谓“标准化”就是无须实验校准而确定差压与流量的关系，并可估算其测量误差。目前在全部流量计中只有这种流量计是唯一一种能达到此标准的流量计。

孔板流量计由于已标准化且结构简单、牢固；易于复制，通用性强，价格低廉而获得相当广泛的大量应用。然而，孔板流量计由于它自身结构上的缺陷也有一些重大的缺点；如流出系数不稳定，、线性差，重复性不高，准确度因受诸多因素影响也不高，易积污和易被磨损，压损较大，量程比（范围度）小，现场安装条件高，要求的直管段过长等。

对产生差压的节流装置的优化改进工作一直没有中断，对其尺寸、节流件的几何形式与参数，入口边缘剖面，取压与节流方式，可更换孔板的研制工作一直在进行。例如：为测量脏污流体的流量已开发出的非标准节流装置大至有：圆缺孔板、偏心孔板、楔形孔板、耐磨孔板、环形孔板、弯管（弯头）等。这种完善、改进的工作直到80年代中期才发展成质的飞跃，即：将流体节流收缩到管道中心轴线附近的概念从根本上改变成利用同轴安装在管道中的V形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形内锥体前后的差压来测量流量。这种V形内锥式（VNZ）流量计为差压式流量计揭开了崭新的一页。经过10多年来的多次测试和应用，目前人们已普遍地理解它并且接受它作为一种更有效的流量仪表。实践证明：利用VNZ流量计能在更短的直管段条件下，以更宽的量程比对洁净或脏污流体实现更准确更有效的流量测量。本章将详细论证它的工作原理、结构、整机系统组成；主要技术性能与指标；优缺点、典型产品剖析和典型应用实例与经验等。

总的说来，差压式流量计的工作基于如下事实：如果流体流经一个收缩（节流）件时，流体将被加速。这种流体的加速将使它的动能增加，而同时按照能量守恒定律，在流体被加速处它的静压力一定会降低一个相对应的值。能量守恒定律告诉我们：在一个封闭的系统中，流体的总能量是一个常数。为进一步进行定量分析，请参见以下图1

在横截面1处，流体的平均流速是V1，其密度是ρ1，管道在横截面1处的横截面积是A1；当流体流过横截面2时，相应的平均流速是V2，密度是ρ2，横截面积是A2，根据流体流动连续性原理有如下关系式：V1·A1·ρ1=V2·A2·ρ2………………（1）

根据别努利方程（能量守恒定律），在水平管道上Z1＝Z2，则有如下关系式：

应用别努利方程和流动连续性原理，在两个横截面上则有如下关系式：

又由于流出系数C的定义是：C=

，最后可得出节流式差压流量计普遍适用的实际流量公式：

——被测介质的可膨胀性系数，对于液体

=1；对气体、蒸气等可压缩流体

＜1；

qv——流体的体积流量，[m3/s]；（工况下流体的体积流量）；

d——工作状况下节流件的等效开孔直径，[m]（对于孔板是孔径，对于文丘得管是喉径，对于VNZ流量计是等效开孔直径）；

ρ1——工作状况下，节流件（前）上游处流体的密度，[㎏/m3]；

如果要求有高准确度的测量结果，如要求不确定度是±0.5%的流量值，那么就需要在规定的流量范围和相对应的雷诺数范围内进行校准，即标定出C值。如果±1%到2%的精度是可以接受的，那么对于孔板、喷嘴和文丘利管等标准节流装置可以根据最新国标标准ISO-5167（2003）或我国国家标准来确定C（流出系数值）。

当要求有高精度（约±0.5%）的流量测量结果时，对每一个VNZ流量计都需进行单独校准。通常是在制造厂的标准装置上或在可溯源至国家基准的独立实验室中进行校准C系数的工作。当雷诺数Red等于或大于8000时，VNZ流量计的重复性为0.1%.

3.1 按产生差压的作用原理分类：包括分类类型有：(1)节流式；(2)动压式；(3)水力阻力式；(4)离心式；(5)动压增压式；(6)射流式。其中节流式是差压流量计的主要品种，关于节流式差压计进一步合理分类将在下文作专题论述。

3.2 按结构形式分类：包括(1)标准孔板；(2)标准喷嘴；(3)经典文丘利管；(4)标准文丘利喷嘴；(5)圆缺孔板；(6)耐磨孔板;(7)环形孔板；(8)锥形入口孔板等约20多种，详见文献。

3.3 按用途分类又可分为(1)标准节流装置；(2)脏污流节流装置；(3)低雷诺数节流装置;(4)低压损节流装置；(5)宽量程节流装置；(6)小管径节流装置；(7)临界流节流装置等。

依据流体通过节流件时，部分静压能转变为动能，因而产生差压的原理工作。其检测件被称为节流装置。按照流体被节流件节流的方式，即实现流体收缩的方式，可将节流装置细分为以下的两大类，共四个小类，这样有助于从分类学的高度认识各种节流装置由于其自身结构所决定的优缺点；

利用节流件将被测流体节流集中收缩到管道中心轴线附近的节流，这是到目前为止绝大多数节流式流量计所采用的节流方式，在该大类中，又可分成以下两个小类：

即流体流入节流装置后，预先没有流经任何预收缩件而突遇节流件并在管轴中心线附近形成收缩的节流装置，它的典型代表就是标准孔板，如图2所示；

孔板是一个带有同心（同轴）圆孔或偏心圆孔的一块板，当流体流过时由所开的圆孔形成流体的局部收缩。在孔板下游会形成幅度相当大的旋涡，它会使量程比缩小，差压信号中的噪声增大，降低流量计的测量精度，压损增大。由孔板所造成的这种中心突然收缩的节流方式所带来的其他缺点还有：要求的上游直管过长(一般至少20D至50D)；孔板前极易积污；孔板入口极易被磨损从而丧失精度；流出系数不稳定，线性差。

流体进入节流装置后，先经逐渐收缩段，然后进入中心轴线附近的喉部，最后经扩散段而流出节流装置，它以经典文丘利管为代表，如图3所示。

由于实现了逐渐收缩与扩散，压损较小。一般说来，文丘利管的流出系数接近于1，但是由于磨损和使用，此流出系数可能有变化。文丘利管的主要缺点有：（1）安装费用高；（2）要求的上游直管段较长（与阻流件及β值有关）；（3）不适合于测量含湿（或冷凝液）的气体；（4）测量含固体颗粒的流体时，易于被堵塞；（5）当用于大口径管线时，文丘利管体积庞大，而且非常笨重，价格昂贵；（6）量程比小（仅5：1）；（7）总重量太大；（8）铺设的总长度太长。

利用同轴安装在管道中的节流件，将流体节流，收缩到管道的内边壁附近，让流体流过由节流件与管内壁所形成间隙，从而形成节流件前后的差压；通过测量此差压ΔP，实现流量测量。可以分为以下两类：

3.4.2.1 突然收缩式：可以用环形孔板[16]作为此类节流装置的典型代表，如图4所示；

环形孔板是一个实现流体在边壁突然收缩的节流装置，它由一个被同轴安装在测量管中的圆盘、三脚支架和中心轴管组成。由盘上测量全（滞止）压力的测压孔所测得的上游压力和圆盘上朝向下游的取压孔所测得的下游压力经中心轴传送到差压变送器。环形孔板的优点是既能疏泄管道底部的液体或固体颗粒又能使被测液体中的气体或蒸气沿管道顶部通过，排出节流装置。对于脏污流体，朝向上游的取压孔仍有被堵塞的危险。关于与管道尺寸之间的相互关系的数据目前公布的很少，仅有一些在常用β值下，用环形孔板测量干净空气流量的数据。

3.4.2.2 逐渐收缩式：以V形内锥流量计为代表利用同轴安装在测量管中的V形尖圆锥，将流体逐渐地节流，收缩到管道内壁附近。通过测量此V形内锥体前后的差压来实现流量测量，如图5所示。通过以上的分类学分析，可以看清，人类对节流式流量计的改进进程，V形内锥流量测量节流装置是对已有节流式流量计改进完善的必然结果。

V形内锥式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如图5所示，而低压力（负压）则是在圆锥体朝向下游端面，锥中心轴处所开取压孔处压力P2。该圆锥体的顶尖朝向来流，该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，如图5所示。

由于流体不是被迫收缩到管道中心轴线附近，并且也不再是一个阻挡物（节流件）令流体突然改变流动方向，而是利用这种结构新颖的内锥式节流装置实现了对流体的逐渐朝向管内边壁的收缩（节流），使V形内锥式流量计具有了一系列独特的优点。这种流量计在其节流件的下游只会产生高频低幅的喘流（小涡流），因而差压变送器所测量的差压ΔΡ信号是低噪声信号。这样在低压力的取压孔处可以测得灵敏度（分辨率）优于2.5毫米水柱的压力。这就使只用一个差压变送器就获得很宽的量程比（范围度）（量程比可大于15比1）和很好的重复性，重复性优于±0.1%成为可能。

所有各种节流式差压流量计都使用同一形式的数学方程式，普遍适用的计算工况下实际流量的公式，如式（5）、式（6）所示。只是在确定尺寸和具体实现流量方面，各种节流式流量计有某些微小的差别。对于V形内锥式节流装置，在公式（5）或公式（6）的流量计算公式中，应采用等效的开孔直径和等效的β值。例如，在如下的公式（5）和公式（6）中，应该用等效值（D2-

）取代d2，式中dv—尖圆锥体最大横截面，圆的直径：

对于VNZ流量计应该用一个等效的β值（βV）代入以上的（5）和（6）式取代公式中原有的β值。这个工况下等效的β值—βV，可按如下公式求出：

………………（7）

与孔板（或喷嘴）类同的节流件等效开孔直径dˊ=βV·D………（9）

如果被测介质是气体，则必须使用气体可膨胀性系数

来修正别努利方程。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。对于气体，必须用

乘以C（即用

来修正流出系数C）。对于VNZ流量计的

的计算公式[5]如下：

P1—工况下节流件（内锥）上游取压孔处可压缩流体的绝对静压Pa；

对于每一个VNZ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。对于气体或蒸汽介质的可膨胀性系数

可按式（10）计算。一个VNZ流量计由VNZ节流装置、差压信号管线，三阀组组件、差压变送器及流量计算及显示仪组成，其整机接线示意图如以下图6所示。

4.3.1精密测量管型，如图7所示，其口径范围一般从 15mm～900mm。

4.3.2维夫（Wafer）式，即法兰夹装式，如图8所示，其口径范围从15mm～150mm。

4.3.3 插入(带顶部管壁)式,如图9所示,其口径范围是150mm至1800mm,由于无法进行校准,精度较差,不确定度在3%到5%之间,测量值的重复性仍然很好。

5.2 在各种阻流件的下游安装VNZ流量计时,所要求的直管段都大大缩短,一般上游要求有0至3D的直管段(当流量计安装在阀门的下游时,要求3D);下游要求有0至1D的直管段。

例如：经测试将 VNZ流量计安装在单弯头之后，在0至20D的距离内，流出系数C的变化全部在±0.5%以内,如图10(a)所示;

将VNZ流量计安装在不在同一平面的双弯头后,在0至100D的距离内, 流出系数C变化全部在±1%以内,如图10(b)所示；

5.6 最小雷诺数为8000,对于雷诺数低于8000的场所,要采用一个拟合的关系式；

5.7沿测量管的内壁由被测流体自行实现完全的自清扫,所以可以自行消除液中的含气或气中的含液以及气或液中所含的固体颗粒,将它们吹向下游,始终确保无污物在流量计中沉积或堆积；

5.8采用标准化的圆锥尺寸,可以减小压损并增大流量测量范围；

5.11在V形锥的下游能更好的实现流体的混合,它是一个良好的混合器。

6.1.1准确度优于实测流量的±0.5%,根据最新报导[15],在CEESI的依阿华(IOWA)的天然气大流量测试装置上曾对一批口径从457mm至711mm的VNZ流量计进行了测试，其不确定度从±0.118%到±0.203%不等,对两个相同口径(660mm)的VNZ流量计测试后，所有测试点的总离散度在±0.55%以内。该不确定度水平可与其他各种气体流量计相比；

6.1.2这种流量计的量程比:典型值为15:1,至少可有10:1的量程比；

6.1.4安装时所要求直管段很短,上游要求0至3D,下游要求0至1D；不需要在VNZ流量计的上游安装流动调整器；

6.1.5流量计结构设计是流体扫过型结构，不可能截留流体中任何夹带的气，液或固相污物,非常适用于脏污流体的流量测量，如焦炉煤气，湿气体等；

6.1.6专用特殊设计的内锥体可以减弱被测压力（差压）场中脉动（振荡）的幅值，从而减小差压信号中的噪声；

6.1.8当流体流经具有特殊廓形的内锥体时,会在其周边形成边界层并疏导流体离开锥体尾部的边缘,从而减少它被磨损的可能性；

6.1.9由于压损小,适用于低静压流体的流量测量的使用场合,如烟道气；

6.2.1当要求VNZ流量计具有优于±0.5%的精确度，对每一台流量计都要求在尽可能接近使用条件的校准装置上对它进行实流校准，即标定它的流出系数C；

6.2.3由于结构上原因,无法用一台VNZ流量计适应双向流的流量测量要求。

流体

洁净气

脏污气

腐蚀性

粘性

磨蚀

含纤维

低流速

蒸汽

高温

低温

不充满

非牛顿

明渠

类形

/液体

液体

浆液

流体

气体

流体

管道

流体

节流式差压流量计

VNZ

○

◎

○

╳

孔板

○

◎

○

◎

╳

○

╳

○

╳

文丘利管

○

√

◎

○

◎

╳

◎

╳

喷嘴

○

◎

○

◎

╳

◎

╳

毕托管

○

◎

√

◎

╳

◎

○

◎

╳

弯头

○

√

◎

√

◎

╳

○

◎

╳

◎

╳

电磁

○液

○V

○

√

╳

◎

╳

◎

√

◎

质量流量计

科氏力

○

√

○

√

◎

╳

, ○

╳

量热式

◎

√

○

◎

╳

◎

╳

流体振荡形流量计

涡街

○

√

◎

╳

○

◎

╳

射流

○

◎

√

◎

╳

◎

╳

旋进旋涡

○

╳

◎

╳

○

◎

╳

容积式

○

╳

◎

○

╳

○

◎

╳

靶式

○

√

◎

╳

◎

○

◎

╳

◎

╳

涡轮

○

◎

√

╳

◎

○气

√

◎

╳

◎

超声

传播时间

○

◎

╳

◎

╳

◎

╳

◎

╳

多普勒法

╳

○

◎

╳

◎

╳

变面积式

○

√

╳

◎

○

√

╳

堰与槽

○

√

◎

╳

◎

√

╳

○

╳

○

图例：○—设计首选； ◎ —在一定条件下可用（向厂家咨询）； √—通常可用； ╳—不适用。

为了获得好的速度分布并且将旋转二次流(涡流)从被测流体中消除,并且为了尽可能的缩短流量计上下游的直管段,大多数的流量计,如节流差压式、超声、涡轮或涡街流量计都要求在其上游安装流动调整器。现根据最新公布的ISO标准(或标准草案)以及我国相应的国标分别对几种主要流量进行剖析并与VNZ流量计作对比.

7.1.1传统的节流差压式流量计:

ISO5167的修订已有10多年的历史,2003年3月国际标准化组织终于正式公布了新修订的ISO5167新标准.这个ISO5167新标准所修改的主要内容有:[7.8]

7.1.1.1根据大量数据回归的R/G公式取代了原来的Stolz公式；（参，见ISO5167-2:2003[E]，5.3.2.1节，流出系数C）；

7.1.1.2在没有流动调整器的条件下，对孔板(或文丘利管)与一些上游阻流件之间所要求的最小直管段提出了全新的及更长的要求，详见ISO5167-2:2003(E)，表3，P.16以及本册的表1、表2及表3。

7.1.1.3如在孔板上游安装流动调整器，则可以适当缩短孔板上游直管段，详见ISO5167-2:2003(E)，表4，P.23；

7.1.1.4 采用新公式来计算孔板的可膨胀性系数（具体请参见ISO5167-2:2003(E)，5.3.2-2节）

7.1.1.5修订了关于孔板的不同轴度，不平面度及孔板上游管道粗糙度的限制要求。

与修订前ISO-5167相比较，以上5条都是有实质性变化的内容,其中最主要的一条变化就是对孔板等节流装置的上游最小直管段提出了全新的和加长的要求.现仅举一个实例来说明ISO5167新旧标准的变化：如果将一个β值为0.6的孔板安装在单个90°弯头之后，那么按旧标准要求的上游最小直管段L1 =18D。新标准则要求L1=42D，新旧标准所要求最小直管段的差值△L1=+24D，现在ISO5167-2：2003（E）新标准已正式公布，原有的按老标准所设计选定的L1 ，由于太短（仅18D），该孔板流量计已不符合新标准的要求，在此种情况下唯一补救的办法就是按新标准4的要求，在该β=0.6的孔板的上游13D处安装一个19根管束的流动调整器，安装工作包括切开线，焊接法兰，装入流动调整器，清洗，吹扫，打压，耐压测试与试漏等一系列的工作。如果孔板很多，很明显工作量则相当巨大。

目前已研制出多种新型流动调整器，利用它们有助于在传统节流差压式流量计入口处保持一个较好的速度分布,然而一般说来VNZ流量计则不需要任何流动调整器械.VNZ流量计本身能(修正)矫正已畸变的速度分布.这主要是由于流体与内锥的相互作用,测试结果证明:V形内锥有整流作用,它不但能改善速度分布还能在很大程度上消除旋涡二次流,详见图11(a)和图11(b)[9]

畸变的速度分布由内锥造成的新的速度分布

图11(a)内锥的整流作用

图11(b)V形内锥的整流作用

由于VNZ流量计并不受速度分布的影响,因此可将这种VNZ流量计安装在一个普通差压式流量计无法适用的很短的直管上或很小的安装地点内.由于减少了上下游直管段及流动调整器,安装空间及占地面积都大大减少,因此可以使原始投资大大削简.

一个VNZ流量计的典型安装图如图12所示.请注意VNZ流量计所要求的上游直管为0至3D,而其下游所要求的直管段为0至1D。

图12 VNZ流量计的典型安装图

7.1.2 多声道气体超声流量计(USM)

在现行的我国国标GB/T18604-2001[11]及AGA9号报告[12]中推荐的上游最小直管段长度l1为10D,下游最小直管长度l2 为5D 。

在关于气体超声流量计的ISO国标标准(草案)ISO/WD17089[10]中已不再推荐l1 和l2 ,其原因是:由于超声流量计的类型,其上游的管道配置和流动调整器在具体情况下变化很大,因此要想对超声流量计上游的直管段实现标准化实际上是不可能的。为克服安装条件的影响,为减小由于上游管道配置所带来的误差,可以采用以下三种方法:

(1) 增加超声流量计上下游的直管段长度;

(2) 使用流动调整器;并认定流动调整器是USM不可分的一部份。

(3) 在尽可能接近(类似)实际工作条件的条件下进行实流校准因此各个厂家所宣布的推荐的上下游直管段都不相同,例如:Daniel(丹尼尔)公司公布(1)在没有流动调整器的条件下,SeniorSonic所要求的上游直管段长度L1至少是 20D, L2至少是 5D;(2)当采用CPA50E和丹尼尔的Profiler流动调整器(FC)时,流量计上游L1=10D处应安装FC,在FC之前(上游)应还有5D的直管段 ;(3)当采用GFC VAS流动调整器时,在l1 =10D处安装流动调整器,该流动调整器占5D管长,在它的上游至少还有5D的直管段。

Instromet (英斯卓美)公司则宣布:对于该公司的Q.Sonic-4c,超声流量计表体长度为3D(或4D)；在流量计表体前3D处安装改进型的Spearman厚板式流动调整器（FS-3），在FS-3的上游需要有2D的直管。即l1 总长为5D，下游l2 为2D。这是USM至今最短的上下游直管段要求。然而，如前所述，VNZ流量计所要求的上游最小直管段长度l1 是0至3D；下游最小直管段长度l2 是0至1D，而且不需任何流动调整器，这是任何一种气体超声流量计都不能够与之相比的。

7.1.3气体涡轮流量计

由于涡轮流量计与超声流量计一样同属于速度式流量计，因此气体涡轮流量计的性能也同样受速度分布及旋涡二次流的影响。关于气体涡轮流量计的国际标准ISO9951:1993(E)规定：在高水平干扰及低水平干扰的下游2D处安装气体涡轮流量计，该流量计上、下游的直管段都是2D。受高（或低）水平干扰的影响、气体涡轮流量计的附加误差应不大于±0.3％（被测流量值的±0.3％）。因此在气体涡轮流量计的上游应安装流动调整器。

为了使气体涡轮流量计具有抗干扰的能力，Instromet（英斯卓美）公司将所研发的X4X两级流动调整器整合到SM—RI型涡轮流量计中组成了一体化的SM—RI—X型气体涡轮流量计。1994—1995年经欧洲、德、法、荷、意等国的五大燃气企业的联合测试组GERG的测试证明：SM—RI—X完全符合ISO9951的各项要求。

与SM—RI—X相比，VNZ流量计上游仅要求0至3D的直管段，下游仅要求0—1D 的直管段，而且VNZ流量计不需要整流器。VNZ流量计可测量清洁或脏污的气体（或液体），在它的上游不需要安装过滤器，可测高温流体这些都是它的优点。不足之处是：有关VNZ流量计在ISO9951规定的高∕低水平干扰下游 2D处的全面测试，未见报导，类似的测试有报导。

7.2从仪表的可靠性及信号的稳定性作剖析

大多数的节流式差压流量计都没有可动部件，因此可以认为它们在机械性能方面是稳定的，然而，虽然标准孔板早已列入国际标准ISO5167和我国国家标准GB2624,但它在结构上是有其固有弱点的，它在实际使用中是不耐用的。一块孔板的使用期限可以是十年或更长，但在安装投运后仅4至5个月，其入口边缘的尖锐度就已开始遭到破坏。在使用中，由于流体的磨蚀作用，特别是对于高压、或高流速含颗粒的流体以及高温蒸汽等，它的入口边缘将更快地变钝，被磨成圆形入口边缘。其结果是：在相同的流量下，孔口后流体的收缩程度减弱，差压不断降低，会形成日益增大的负的流量误差。孔板出口处的流束最小截面积在入口被磨蚀后已经增大，如果在此状况下能够标定，自然会发现该孔板的流出系数已经增大，但使用中仍沿用按标准公式计算得出的较小的系数。因此会出现日益增大的负的系统误差。孔板是当今各工业部门中使用量最大，应用面最广的一种计量器具，然而它的精确度却是使用时间的函数，即越用越不准。因此有必要用另一种更先进的节流装置来取代孔板。其它节流式流量计也有类似的问题。可以看出如果决定β值的几何形状改变了就会对测量精度有影响，因此对传统的节流式流量计，流体的磨蚀是影响流量计性能的一个问题。

VNZ流量计的设计和制造，可以确保它决定β值的边缘不会由于接触流体而被磨损。当流体流入VNZ流量计表体内时，高速的核心流动将被迫按照流线的路径与靠近管内壁的边界层相互作用，于是一个二次形成的边界层会沿着锥体周围的区域被重新分布。其纯结果就是一个接近于管内流速的完全混合，从而可以使流量计按预计的方式工作，正常发挥其性能。在长期使用后，如果在锥体的前端（即头部）产生磨蚀，也不会影响VNZ流量计的性能，而且这里通常都使用坚固的材料来制作它或者该处有坚固的支撑结构，如图13所示[9] 边界层效应

图13锥体周围的边界层效应及决定直径比β值的边缘

对于大多数其他类型的差压式流量计信号的稳定性可以是一个主要问题，它们可能会造成信号的多次反射。对于VNZ流量计来说，在其内锥体的尾部产生的是一种高频率低幅值的旋涡。这种类型的信号会增强差压变送器的性能，使之能测量更小的差压，从而使量程比（范围度）增大。这主要是由于信号并没有被造成误差的噪声所淹没。在压缩机控制的使用场合，如使用VNZ流量计将是理想的。

对于内锥体在其尾部所得的是高频、低幅值的波动信号，如图14（a）所示。对于孔板，所测得的是低频、高幅值的波动信号，如图14（b）这对测量不利。

图14（a）VNZ流量计信号图14（b）孔板的信号

7.3 从几种流量计的购置费用进行剖析：

一般说超声的购置费用最高，涡轮流量计的购置费其次，VNZ流量计最低而且它对不同被测介质的适应能力强，对不同工况条件的适应范围也宽，雷诺数的适用范围也更宽。其他如测量稳定性好，工作耐用可靠，要求直管段短，适宜测脏污流体更是它的突出优点。因此，VNZ流量计无疑地是一种物美价廉的优秀的流量计，它是取代孔板等差压式流量计的最佳更新换代的产品。

8.利用VNZ流量计解决流量测量难题的典型用例分析

8.1湿气体的流量测量难题

采用孔板测量湿气体时，产生相当大的误差，这是由于当气体被水饱和时，差压变送器的响应时间会造成计量误差，再加上如孔板的上、下游存留着水时，会造成测量上的难题。当采用VNZ流量计取代了孔板后的结果是获得了很小的不确定度。其测量结果的前后对比如图15所示。在图15的下半部份示出使用孔板测量湿气体流量的记录曲线。由于在孔板的上下滞留有水，于是当水积存多了就形成了“气水相混”的团状流动的条件。其结果是：使用孔板的计量站的不确定度变成超范围的增大变宽。而当有气水相混的团状流动发生时，VNZ流量计则有很快的响应时间，无积水现象。而且VNZ节流装置还能同时跟踪静压力的变化。湿气体流量测量记录仪上的记录曲线如图15所示。该图的上半部份表明当采用VNZ流量计取代孔板后，它能迅速排除积存的水并正常测量汽团状流的情况，而该图的下部是采用孔板时测量汽团状流流量的记录曲线。此图直接取自土地管理局（BLM）计量站的圆图记录仪。

关于利用VNZ流量计测量湿气体流量的最新报告详见文献[14]

图15 采用孔板和VNZ测量湿气体流量的记录曲线

8.2焦炉煤气流量测量难题

焦炉煤气中的萘和焦油会凝析出来并沉积在孔板上，使得无法利用孔板实现有效的计量，另外它还是一种低静压，低流速的气体，在VNZ 流量计出现之前，焦炉煤气的流量测量一直是一个众所周知的难题。请看瑞典的钢铁公司是如何利用VNZ（V—cone）流量来解决此难题的。

V—Cone流量计的典型用例分析

焦炉煤气的流量测量

瑞典 SVENSKT SKAL OXELOSUND

使用的气质条件：

焦炉煤气是焦碳生产厂的副产物，在SSAB公司它被用来作为轧钢厂中窑炉的主要燃料。这种焦炉煤气包含有许多带来难题的成份，比如萘、铵的水合物和焦油。这些气体的组份独特地会从气体中分离出来，并在管内壁和管内其他构件上凝析并积结起来。

流且测量的难题：

由于在管道及流量检测元件的内表面上有固体物质, 积结，使得对焦炉煤气的流量监测变得格外困难。这种严重的积结经常使文丘利管、孔板和圆缺孔板不能进行有效的、准确的流量测量。除此之外，文丘利管或孔板的取压孔也会被堵塞，从而使得这些差压一次元件的输出，即差压的测量变得困难，甚至无法测, 量。

解决办法：

由Svenskt Stal Oxelosund选用了一个150毫米直径的V-cone差压式流量计，其满刻度差压为110mm水柱（差压范围）以便进行评价。SSAB公司的仪表工程Lekberg先生负责此V－cone流量计的安装和评价。在连续使用一个月之后，Lekberg先生作了如下的报告：“我们将 V－cone流量计装上后已使用了一个月，然后我和ANSKO（MCCROMETER公司的当地代表）一起检查它。使我感到惊奇的是：流量计内部是乾净的并且在锥形体上也没有明显磨损的迹象。该量计的性能也是很优秀的，我们对它十分满意”。随后决定将V－cone流量计放到更加严峻的条件下去进行试验。将它留在管道上再运行两个整月，以便观察V－cone流量计是否仍能继续正常工作并看看在锥形体上是否会发现有某种磨损。在试验满3个月后，Lekberg先生是这样陈述的：“经过三个月的试验之后现在可以说，V－cone流量计的性能要比我们预计的还要好，并且在锥形体的表面也没有发现磨损的迹象，虽然我们的气体是被严重污染的脏污气体。”

这种新形的V-cone流量计解决了焦炉煤气流量测量中的两个主要难题：即①固体物质的积结（沉积）和由此造成的β比值的改变以及②差压测量取压孔的堵塞。利用 V－cone得以实现这些，是由于它本身具有非常独特的锥形体元件，锥形体与流体相互作用，使在锥形体上游的速度分布得以重新整形。这样它不但创造一个最佳的速度分布，而且在上游产生了一个压力区间，阻止污染物的形成与积结，从而能保持一个恒定的β比值。由于高压测量孔也位于此压力区间，因此，高压测量孔也能保持清洁而不被污染物堵塞。由于V-cone的锥形体能在其自身周围及其下游产生一个受控制的紊流区，在这紊流区自然能始终保持清洁而不被污染物积结，从而使低压测量（取压）孔始终保持干净。

在SSAB的V－cone流量计一直在继续正常工作，它不受气体中污染成分的影响，从而能提供焦炉煤气的精确的流量数据。

这是一个很成功的应用范例。此用例的具体应用数据附后：

产品序号出90206Y1

标定参数：

被测流体参数：

标称管道口径：150mm,管壁厚系列号Sch=40；实际内径= 154.380mm

被没流体类型：焦炉煤气（SSAB公司）

质量：4.40×10-1比重（在60°F)

锥形体最大直径：138.329mm

粘度：1.20×10-2CP （厘泊）

β值：0.444

等熵指数KE:1.360

满刻度时的最大差压值：11.112cmH20柱

流体温度：tmin=35℃；t工况=45℃；tmax=60℃

流量系数：0.865

管道中的压力：Pmin=0.08bar(表压)

P工况=0.1bar(表压)

Pmax=0.105bar(表压)

气体流量：Qmin=80NM3/h；Q工况=300Nm3/h

Qmax=742.996Nm3/h

实际应用：测量范围（量程比）：9︰1；

线性流速：1.1908到1.1059（±01）m/s

雷诺数范围：8.1189×103至7.5404×104

8.3 VNZ流量计可以成功测量的各种流体

一、气体

☆煤气（焦炉煤气、高炉煤气、发生炉煤气）

☆天然气，包括含湿量5%以上的天然气

☆ 各种碳氢化合物气体，包括含湿的HC气体

☆ 各种稀有气体，如氢，氦，氩，氧，氮等

☆湿的氯化物气体

☆空气，包括含水，含SiO2粒子以及含其它尘埃的空气

☆烟道气

二、蒸汽

☆饱和蒸汽

☆过热蒸汽

三、液体

☆油类，包括原油、燃料油、含水乳化油等

☆水，包括净水、污水

☆各种水溶液，包括盐、碱水溶液等

☆含蜡、含油的水

☆含油、沙的水

☆甲苯

☆甲醇、乙二醇等

四、特殊流体

☆油+HC气+沙

☆加气的水，如H20+N2+空气；H2O+CO2等。

9 结论

9.1 对于任何一个测量气体、液体或蒸汽的场合都可以使用VNZ流量计。如果在该场合要求有高度的耐用性，要求仪表坚固结实和具有长期的使用寿命，那么VNZ流量计应该是设计首选的流量计，它的适用面极宽。从本质上说VNZ流量计是免维护的也不需要进行定期的重新校准。只有当VNZ 流量计是在极端的工作条件下工作时，才有必要对它定期进行检查。

9.2 就象对任何一个一次节流装置一样。必须配套使用较高质量的差压变送器及二次仪表才能充分获得整体优异的系统性能，因此应按照制造厂家的说明书，定期对差压变送器及二次仪表进行重新校准，

9.3 VNZ流量计虽同属于节流式差压流量计，但它独特的结构、原理、使得它不但测量准确度高，而且不存在孔板的磨损与积污问题，标定出来的流出系数不但可以在现场准确复现，而且可以长期保持不变；再脏的气体也不会使取压孔堵塞；它的量程比为10：1或15：1；对安装直管段仅要求0至3D，它的压损很小，可以在低静压、低流速的流体中实现有效的流量测量。VNZ流量计的优良计量性能使得它适宜普遍用作环境监测工程中的流量仪表，如监测烟道气的流量、监测各种污染物的排放量等，也可用于天然气、煤气、供热蒸气、污水等的计量，包括用于贸易输送的计量与结算。

9.4 就测量精度而言，多声道超声、VNZ、精密气体涡轮，可属同一档次，其次为涡街、旋进旋涡、均速管等。如就抗脏污能力和工作稳定性而言，唯有VNZ性能最佳；就其量程比而言，VNZ虽不及超声和涡轮、涡街等那样宽，但10：1或15：1用于工业测量已足够，特别是VNZ 可以测量小雷诺数（低流速）的特性，比一般的量程比宽更有实用意义，特别是用于环境监测。VNZ唯一的缺点是欲获得较高测量精度必须有质优的差压变送器与之配套，不过在当今要作到这一点并无多大困难。

9.5 VNZ流量计是基于很成熟的原理工作的，只是它的结构稍有不同，它为差压式流量计揭开了崭新的一页，正在日益显示其旺盛的生命力。随着它的推广使用，将有更多的流量测量难题逐步被解决。