以孔板、噴嘴和文丘里管為代表的差壓式流量計(統稱標準節流裝置)已統領流量領域近百年,其優點是已經標準化、結構簡單牢固、易于加工制造、價格低廉、通用性強。近百年來人們從未間斷過對它們的研究和改善工作,但是由于先天結構上的缺陷,其本身固有的一些缺點,至今仍然沒能得到很好的解決。如:流出系數不穩定、線性差、重復性不高從而影響到準確度也不高。孔板入口銳角這個關鍵部位易磨損、前部易積污、量程比小、壓力損失大,特別是十分苛刻的直管段要求在實際使用中很難滿足等。
為了克服上述這些不足,人們曾研制出1/4圓孔板、錐形入口孔板、圓缺孔板、偏心孔板、楔形孔板、可更換孔板、彎管等諸多的非標準節流件,試圖解決這些問題。但是這些節流件同標準孔板一樣,大都沒有突破“流體中心突然收縮”這個模式,只是或多或少改善了局部某一個問題,并沒有從根本上徹底解決所有問題, 這種改進工作到了80年代中期才有了突破性的發展:塔形流量計出現打破了沿襲近百年的模式結構,使得節流式差壓儀表發生了“質的飛躍”。
塔形流量計的重大突破在于:變流體在管道中心收縮為管道邊璧逐漸收縮,即利用同軸安裝在管道中的塔形體(節流件),迫使流體逐漸從中心收縮到管道內邊壁而流過塔形體,通過測量塔形體前后的壓差來得到流體的流量。正是這個邊璧收縮的結構,使得塔形流量計具有了一系列其他差壓儀表無法相比的優點,徹底克服了以孔板為代表的傳統差壓儀表的諸多缺點。經過國內外10多年的應用和多次測試,已充分證明它能在極短的直管段條件下,以更寬的量程比對各種流體(包括臟污、低流速)進行更準確更有效的測量。從此揭開了差壓式流量儀表劃時代的嶄新一頁。可以預言,隨著人們對它逐漸認識、了解、熟悉和掌握,必將逐漸和完全取代以孔板為代表的傳統差壓儀表。
塔形流量計國外稱為V-CONE,國內的叫法有多種如V形(型)錐、內錐、環孔流量計、內置文丘里等。盡管名稱各異,但原理結構都是一樣的。單就節流件來講,完全是金屬件組成,不含任何電子器件。它主要由測量管、塔形體(錐形體)、低壓測量管(兼支架)、正負測壓嘴、連接法蘭等組成。
當口徑≤N100時,塔體用負壓測量管兼作支撐,口徑≥DN150時,要在塔體后部再加支撐管架,并在支撐管開測量孔。
當溫壓一體化型時,需要在后部支撐架前安裝測溫元件套管,若采用多參數變送器,則不再需要壓力測量點,該變送器差壓、壓力同時測量并能接受溫度信號。
圖一,塔形流量計的組成結構圖
圖二,塔形流量計的塔體內部結構圖
所說的質量守恒定律(連續性方程)和能量守恒定律(伯努利方程),可以這樣去理解:
質量守恒:流體在一個封閉的管道中流動,當遇到節流件時,在節流件前后它的質量是不變的,用公式表示為:
V1ⅹA1ⅹρ1=V2ⅹA2ⅹρ2(液體為: V1ⅹA1=V2ⅹA2)
能量守恒:管道中流體的壓力和流速有如下的關系:
P1+1/2ⅹ(V1)2ⅹρ1=P2+1/2ⅹ(V2)2ⅹρ2 =常數
式中: A1、A2 分別是節流件前后的截面積;
V1、V2 分別是A1、A2處的流速;
P1、P2 分別是A1、A2處的壓力;
ρ1、ρ2 分別是A1、A2處的流體密度;
根據伯努利方程:P+1/2V2ρ=常數,在截面A2處流速加快,該處的壓力必然降低,因此壓力P2的高低隨流速V2的大小而變化。而在截面A1處流速V1和壓力P1都沒有變化,只要測出P1與P2的壓力差 P=P1-P2,就可以求出流速(流量)。節流式差壓儀表正式基于了連續性方程和伯努利方程原理,在管道內設置了一個節流件,測量其前后的壓力差而得到了流量。
圖三,溫壓補償一體化塔形流量計
圖四,只有的一體化的塔形流量計
圖五,較大口徑的塔形流量計