變徑整流器在流量測(cè)量中的應(yīng)用
一、概述
傳統(tǒng)的流體整流器經(jīng)長(zhǎng)期的研究與實(shí)踐已趨于成熟，它一般采用阻隔體分隔流道來(lái)調(diào)整管道內(nèi)的速度分布，以達(dá)到整流的目的；這一類(lèi)整流器主要用于實(shí)驗(yàn)室和流量標(biāo)定系統(tǒng)。但這種方法易引起污物堵塞和增加阻力損失，所以在工業(yè)管道上很少采用。
渦街流量計(jì)由于其獨(dú)特的性能，一直受到人們重視，并己到了廣泛的應(yīng)用，但仍有兩個(gè)方面的問(wèn)題困擾著人們，一是由于儀表上游管道阻流件的干擾，流場(chǎng)發(fā)生畸變，影響旋渦正常撥離。為了克服流場(chǎng)擾動(dòng)，儀表前需要配裝較長(zhǎng)直管道(一般為15~40倍的工藝管內(nèi)徑的長(zhǎng)度)，而在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)是很難滿(mǎn)足的。二是，渦街流量計(jì)主要特點(diǎn)之一是量程寬，一般在10：1左右，應(yīng)該說(shuō)這樣寬的測(cè)量范圍應(yīng)屬比較優(yōu)良的性能，但在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，*大流量遠(yuǎn)低于儀表的上限值，*小流量又往往會(huì)低于儀表的下限值，一些儀表經(jīng)常工作在下限流量附近，造成儀表的計(jì)量準(zhǔn)確度下降，這時(shí)信號(hào)較弱，儀表的抗干擾能力也下降。為了測(cè)量小流量，人們往往采用內(nèi)腔形狀為園臺(tái)的傳統(tǒng)變徑管，經(jīng)過(guò)縮徑提高測(cè)量處的流速。使渦街流量計(jì)工作在正常流速范圍內(nèi)，但這種變徑方式，結(jié)構(gòu)尺寸大(一般長(zhǎng)度為工藝管內(nèi)徑的3~5倍)，同時(shí)，由于流體流經(jīng)變徑管，在變徑處產(chǎn)生大量旋轉(zhuǎn)流團(tuán)，增大局部阻力損失，也使流場(chǎng)發(fā)生畸變。所以必須在變徑管與儀表之間加裝大于15倍工藝管內(nèi)徑長(zhǎng)度的直管道進(jìn)行整流，且增加了沿程阻力損失(如圖1所示)，這種方法增加施工成本，也給加工、安裝帶來(lái)不便。
（圖1）
縱端面采用特殊形線(xiàn)的變徑整流器(己申報(bào)國(guó)家**)，具有整流，提高流速及改變流速分布的多重作用，其結(jié)構(gòu)尺寸小，長(zhǎng)度僅為工藝管內(nèi)徑的1/3，可以直接卡裝在儀表的兩端，不僅不需要另外附加直管道，而且可以降低儀表對(duì)上游直管道的要求。實(shí)驗(yàn)表明：儀表上游阻力件為一個(gè)平面內(nèi)的兩個(gè)90°彎頭在一般情況下，渦街流量計(jì)上游側(cè)應(yīng)加裝大于20倍管道內(nèi)徑長(zhǎng)度的直管道，而渦街流量計(jì)加裝了變徑整流器大大降低了對(duì)上游測(cè)直管道長(zhǎng)度的要求，其阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的變徑管。更主要的是，可使下限流速降為原來(lái)的1/3，量程比提高到15：1以上?！?br>
二、原理及分析
首先應(yīng)該指出，傳統(tǒng)的變徑管可以經(jīng)過(guò)縮徑，并配以較小口徑的流量計(jì)來(lái)達(dá)到測(cè)量小流量的目的，但是這種方法不可能擴(kuò)大儀表的量程比，因?yàn)樗⒛└淖児艿赖牧魉俜植紶顟B(tài)。我們知道，渦街流量計(jì)的理論及推導(dǎo)是基于在無(wú)窮大的均勻流場(chǎng)中得到的，而在實(shí)際封閉圓管中，卻是非均勻流場(chǎng)，橫斷面的流速分布是一回轉(zhuǎn)拋物面，雖然選擇合理的柱型，使柱體兩側(cè)弓形面的流速分布均勻，但實(shí)際上，工藝管道上回轉(zhuǎn)拋物面的流速分布的影響是客觀存在的。實(shí)驗(yàn)表明在比較大的流量時(shí)，這個(gè)影響較小，或說(shuō)這個(gè)影響在允許的范圍內(nèi)；但隨著流量的下降，這個(gè)影響越來(lái)越大，從大量標(biāo)定數(shù)據(jù)看，儀表常數(shù)總是隨著流量的減小而增大。這說(shuō)明取樣點(diǎn)的流速與平均流速差異越來(lái)越大。
采用了變徑整流器后（見(jiàn)圖2），由于縮經(jīng)斷面的流速在逐漸增大，在斷面上各點(diǎn)流速的增加是不一樣的，靠近中心流速增加小，而靠近喉徑邊沿處流速增加大。
設(shè)整流器進(jìn)口處壓力為P1，平均流速為V1，某點(diǎn)上的速度不均勻度為U1，出口處壓力為P2，平均流速為V2，通過(guò)進(jìn)口處某點(diǎn)同**線(xiàn)，在出口處的速度不均勻度為U2，沿該流線(xiàn)，由伯努利方程得：
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由式（6）可見(jiàn)，收縮比對(duì)出口處流速均勻度的影響，即對(duì)于一定的進(jìn)口速度不均勻度，
出口處的速度不均勻度將縮小n2倍。因此出口處流速趨于均勻，更接近渦街流量計(jì)理論的均勻流場(chǎng)的條件，不僅使漩渦趨于穩(wěn)定，且提高了儀表的測(cè)量范圍。另外，這種變徑整流器，在流體動(dòng)能的轉(zhuǎn)換過(guò)程中有效的抑制了干擾
三、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)正
例1：一臺(tái)口徑為40mm的渦街流量計(jì)安裝在φ40的工藝管道上，標(biāo)定滿(mǎn)足精度1%的量程比為8：1，當(dāng)安裝在φ50工藝管道上，并在儀表兩側(cè)安裝變徑整流器，在15：1的范圍內(nèi)精度為1.0%。 例2：二臺(tái)口徑為50mm和40mm渦街流量計(jì)配裝整流器后，分別安裝在口徑為80mm工藝管道上，進(jìn)行水標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。
| 工藝管內(nèi)徑/整流器喉部直徑（mm） | 儀表常數(shù) | 重復(fù)性 | 非線(xiàn)性 | 量程 | *小流速（米/秒） |
| 80/50 | 17452 | 0.05% | 0.95% | 15:1 | 0.1 |
| 80/40 | 10197 | 0.04% | 0.78% | 15:1 | 0.16 |
[表1]
再將兩臺(tái)口徑為φ50mm和φ40mm渦街流量計(jì)配裝整流器后，分別安裝在φ80mm工以管道上，且儀表上游尉為一個(gè)平面內(nèi)兩個(gè)90°彎頭，變徑整流器前端與**個(gè)90°彎頭距離為3倍工藝管內(nèi)徑長(zhǎng)段，進(jìn)行水標(biāo)定，工藝圖如圖3，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2
| 工藝管內(nèi)徑/整流器喉部直徑（mm） | 儀表常數(shù) | 重復(fù)性 | 非線(xiàn)性 | 量程 | *小流速（米/秒） |
| 80/50 | 17266 | 0.02% | 0.9% | 16:1 | 0.1 |
| 80/40 | 10278 | 0.15% | 0.08% | 15:1 | 0.15 |
[表2]
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：
1、 在管道流速較低時(shí)，采用變徑整流器，使儀表特性總體保持良好狀態(tài)；
2、采用變徑整流器，在儀表上游阻流件形式為一個(gè)平面內(nèi)2個(gè)90°彎頭，直管道很短（3D）的情況下，儀表常數(shù)的偏移在0.7%左右，說(shuō)明整流器具有良好的流動(dòng)調(diào)整性能。（與實(shí)驗(yàn)相同的上游阻流件形式在不裝整流器條件下，儀表上游直管道長(zhǎng)段為8倍工藝管內(nèi)徑時(shí)，儀表常數(shù)偏移為2.0%）
3、 在儀表前加裝變徑整流器，投展了儀表的測(cè)量范圍。
這與理論分析是相吻合的。
四、阻力計(jì)算
設(shè)工藝管道直徑為D1, 介質(zhì)的密度為ρ，流速為V1渦街流量計(jì)的壓力損失為ω1， 整流器壓力損失為ω3， 總壓力損失為ω。
ω1=0.3ρV2 1(Pa)
采用整流器后，儀表口徑為D2，則渦街流量計(jì)處的流速為V2壓損為ω2。
ω2=1.3ρV2 2=(V2/V1)2·ω1=(D1/D2)4·ω1
整流器的壓損，取決于縮徑比D2/D1，之值一般都在0.8以上，則整流器的壓損：
ω3=0.12ω2
所以總的壓損ω為：ω=1.12ω2=1.12（D1/D2）4×1.3ρV2 1（Pa）
例：管徑為D1=100mm的水計(jì)量系統(tǒng)，采用渦街流量計(jì)作為流量計(jì)量?jī)x表，其*大流速Vmax為1m/s，其*小流速Vmin為0.3m/s，擬采用100/80整流器計(jì)算各相關(guān)參數(shù)：
縮徑后流速為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、應(yīng)用舉例
加裝變徑整流器滿(mǎn)管式渦街流量計(jì)已大量用于氣體、水、蒸氣等介質(zhì)的測(cè)量，其實(shí)例枚不勝舉，均收到了令人滿(mǎn)意的效果。
更值得一提的是，將變徑整流器與插入式渦街流量計(jì)配套使用(見(jiàn)圖4)，用于大口徑煤氣測(cè)量，成功地解決了大口徑煤氣介質(zhì)臟，流速低、流量變化大，允許壓損小等者大難問(wèn)題。
在冶金行業(yè)中，測(cè)量大口徑煤氣一般采用孔板流星計(jì)，由于其自身的局限性，很難滿(mǎn)足實(shí)際測(cè)量要求，其問(wèn)題是：①煤氣中含有粉塵和各種雜質(zhì)，經(jīng)一段時(shí)間運(yùn)行，大量粉塵堆積在孔板的上游側(cè)，各種雜質(zhì)附著在測(cè)量元件表面，就孔板來(lái)說(shuō)，已無(wú)準(zhǔn)確度可言，同時(shí)又經(jīng)常發(fā)生導(dǎo)管堵塞的問(wèn)題。由于生產(chǎn)的連續(xù)性，不可能停氣清洗或更換孔板。②由于介質(zhì)
流速低，為獲得較大的差壓，孔板的開(kāi)孔徑一般都比較小，造成壓損大，當(dāng)流量增大時(shí)，孔
板卻起不了限流作用，遇到此類(lèi)情況，有些企業(yè)不得不拆除孔板來(lái)滿(mǎn)足生產(chǎn)。③普通孔板流量計(jì)的量程近為3：1，往往不能滿(mǎn)足實(shí)際工況的需要。
已投入實(shí)際運(yùn)行的變徑整流器與插入式渦街流量計(jì)所構(gòu)成煤氣流量計(jì)量系統(tǒng)：①變徑整流器入口處為光滑曲線(xiàn)，介質(zhì)流經(jīng)時(shí)，有自清洗的效果，不會(huì)造成粉塵堆積。②變徑處流速提升可滿(mǎn)足插入式渦銜流量計(jì)下限流速的要求，且渦街流量計(jì)量程比為10：1，完全滿(mǎn)足煤氣測(cè)量范圍的要求。③插入式渦街流量計(jì)可在管道不斷流的情況下拆出測(cè)頭進(jìn)行定期或不定期清洗。滿(mǎn)足連續(xù)生產(chǎn)的要求。④壓損小，插入式渦街流量計(jì)測(cè)頭部分在大口徑管道內(nèi)的流阻很小可忽略不計(jì)，變徑部分的變徑比一般都大于0.7，管道*大流速按25米/秒計(jì)算，壓損僅在200Pa以?xún)?nèi)。
上述表明，此種方法是解決大口徑煤氣計(jì)量的行之有效的方法。
六、結(jié)束語(yǔ)
渦街流量計(jì)與變徑整流器配套使用，形成了一種新的流量測(cè)量系統(tǒng)，可使流量測(cè)量下限為下降（為原來(lái)的1/3），測(cè)量范圍擴(kuò)大(15：1以上)，并可以大大降低儀表對(duì)上游直管道長(zhǎng)度的要求。這對(duì)一個(gè)流量計(jì)來(lái)講無(wú)疑是一個(gè)不小的進(jìn)步，它拓寬了渦街流量計(jì)的應(yīng)用范圍，在燃?xì)?、城市煤氣、水、熱水、蒸汽、油品、奶液、藥液、化工產(chǎn)品(上述介質(zhì)一般要求下限流速低，測(cè)量范圍寬)的流量測(cè)量中將發(fā)揮突出優(yōu)勢(shì)。變徑整流器在工業(yè)用戶(hù)中實(shí)際應(yīng)用情況還表明，變徑整流器簡(jiǎn)化了儀表安裝工藝，并且大大降低了工程造價(jià)。
