锥形流量计与孔板流量计对比

摘要：孔板流量计自出现之日起就作为一种重要的流量计被广泛应用，而锥形流量计作为一种新型流量计，也有着其独有的特点并越来越被广泛应用，详细介绍了这两种流量计的特点。
差压式流量计作为一种流量测量仪表，具有结构简单，使用寿命长，适应性广范等特点，因此被广泛应用于电力、化工、煤炭、冶金、钢铁等行业。据估计，差压式流量计约占流量仪表的60%~70%。锥形流量计作为20世纪80年代异军突起的新兴力量，凭借着其独特的优势，逐渐被市场所接纳。
1原理介绍
1.1综述
锥形流量计（见图1）是一种新型的可测量各种雷诺数的高精度流量计，满足各种介质的应用条件要求。其操作原理同其他各类型的差压原理相同，都是基于密封管道中的能量守恒原理。
锥形流量计在管道中心处悬挂一锥形节流件，锥形件阻碍介质的流动，重塑流速曲线，在锥形件的下游可立即形成负压区，管道上游的正压同经节流件节流后的下游的负压之间有一压差，将正、负压用取压口取出，正压口位于管道的上游，负压口位于锥体的末端，通过测量两者之间的差压，根据伯努力方程即可计算出管道中的流量。锥体位于管线中心，可对所测介质的流速曲线进行优化，因此测量精度高，对仪表上、下游的直管段要求低。
1.2操作原理
锥形流量计是一种差压型的流量仪表，迄今为止，以差压原理设计的流量仪表已经有一百多年的应用历史了。差压原理就是基于密封管道中的能量转换原理，也就是说稳定流体、流量同管道中介质流速的平方根成正比。当压力降低时，速度会增加，当介质接近锥体时，其压力为P1，在介质通过锥体的节流区时，速度会增加，压力会降低为P2，P1和P2都通过锥形流量计的取压口引到后接的差压变送器上，流速发生变化时，锥形流量计的两个取压口之间的差压值会增大或缩小。当流速相同时，若节流面积大，则产生的差压值也大。β值等于锥体的节流面积除以管道内径的截面积(可换算成两者之间的直径比)。
1.3重塑流速曲线
锥形流量计在进行流量计算时所采用的计算公式同其他差压型的流量仪表相同，但节流件的结构同其他仪表完全不同，是通过悬挂在管线中心的锥形体来实现的。锥体可迫使管道中心的介质绕着锥体流动，同其他传统类型的差压型仪表相比，这样有很多优点。另外，如果介质通过一个很长的管道，而且在管道中没有受到任何阻碍和干扰，它的流速分布就很均匀。
通过管道直径上的介质的流速每点都不相同，靠近管壁的流速几乎为零，管道中心的流速最大，这是管壁对介质产生摩擦造成的。由于锥体悬挂在管线中心，它直接同流体的高速区接触，迫使高速区的流体与低速区的流体相混合，从而使流速均匀化，高速区的流体速度降低。这也是为什么锥形流量计能够测量低流速流体的主要原因。由于其他类型的差压型流量计的节流元件不与管道中心处的高速介质相接触，在介质流速很低时，就可能没有差压信号了。
在一般工况下，流速很难均匀分布。管道上的任何变化都可能对流体造成影响，如弯头、阀门、缩径、扩径、泵、三通等等，对其他仪表而言，这是一个很难解决的问题，而锥形流量计的锥体对上游流速分布曲线重新进行塑造，使流速基本达到理想状况。
锥形流量计可在极为恶劣的情况下使流体分布均匀（如在紧邻仪表上游有单弯管、双弯管），以保证获得较高的测量精度。

2锥形流量计的优点及与传统孔板流量计的比较
2.1精度
锥形流量计精度高：精度可达到±0.5%。
孔板流量计精度低：精度基本在±3%以下。
2.2重复性
锥形流量计重复性好：优于±0.1%。由于锥体对流速的整形，使流速达到理想状态，干扰源少，因此重复性好。
孔板流量计依靠直管段对流体整形，直管段整形只能达到较为接近流体完全理想状态，并且孔板本身的节流又破坏流体理想状态，因此干扰源较多，重复性差。
2.3安装要求
锥形流量计安装要求低：前0D~3D、后0D~1D。无论是泵、压缩机、阀门或者弯管（一个单弯管或两个不在一个平面上的双弯管），对测量精度基本都没有影响。
孔板流量计安装要求高：一般前10D、后5D。复杂工况还要加大到前20D、后5D。
2.4长期稳定性
锥形流量计长期稳定性好：流体流经圆锥体无突然波动，而是沿着锥形体形成一个边界层，并引导流体离开锥体的后角。所以，锥体夹角不受不清洁流体的磨损，β值可长期不变，并保证长期正确测量。
孔板流量计长期稳定性差：由于流体流经孔板锐利缘口，截流产生高速摩擦，引起孔板口磨损，脏污改变孔板口大小，使β值发生变化，不能保持长期正确测量。
2.5信号稳定性
锥形流量计信号稳定：“信号波动”是孔板的1/10。流体流经流量计形成非常短的涡流，这些涡流使流量计产生高频低幅信号，并且信号在锥体尾部流向中央，相互抵消，因此干扰小。
孔板流量计信号不稳定：流体流经平面后产生的涡流较长，这些长涡流使孔板产生低频大幅度的信号，信号干扰大，会严重干扰差压读数的正确率。
2.6压损和量程
锥形流量计的压损低而量程宽：通常量程比为15∶1~50∶1。这是因为锥体的流线型设计，使压损大大减小，最小可至0.06kPa。在所有的差压流量计中，只有锥形流量计的压损与文丘里接近。由于没有锐利的边缘口,锥形流量计引起的永久性压力损失恒定且要比孔板小。同时，极其稳定的信号使差压的量程下限远比一般差压流量计低，因此量程得以向下限扩展，雷诺数低至8000仍可保持信号线性。如果采用曲线修正，在更低的雷诺数条件下，仍然可测量并可保证较好的重复性。
孔板流量计压损大、量程小：通常量程比为3∶1~5∶1。这是由于平面阻挡，加上锐利的边缘口，因此压损大，导致了小信号波动大、干扰大，小量程无法测量。
2.7β值范围和差压
锥形流量计的β值范围宽：锥形流量计独特的几何形状允许有广泛的β值范围。标准的β值为0.450，0.550，0.650，0.750和0.850，并可特定β值，以保证特定的差压输出且有较大的差压信号，满标尺差压信号从0.1kPa到几十kPa，保证了测量的正确率。
2.8管线范围和形式
锥形流量计管线范围宽：锥形流量计有两种基本型式，即管道型和插入型。其中管道式锥形流量计从1/2”到60”，而插入式锥形流量计从6”到72”。
2.9脏污的影响和维护
锥形流量计无停滞区，长期免维护：锥形流线型彻底吹扫式设计避免了流体中的残渣、凝结物或颗粒的滞留，可以保持锥体长期清洁。由于锥体对流体整形，加速了管壁流体的流速，减少了正取压口的脏污停留，倒角的设计，使流体流经锥体后加速离去，负取压孔不会污损。所以，在较长的时间内（2年~3年）无需维护清洗，可以保证正确测量。
实践证明，锥形流量计在焦炉煤气、渣油等特别脏污介质的测量中均能成功使用，并已在钢厂焦炉煤气流量测量中得到广泛使用。
孔板流量计由于是平面阻挡，脏污容易堆积，一般需3个月清洗一次，才能较好地保证其精度。
2.10可测高温、高压介质
锥形流量计针对不同的温度和压力，采用不同的材质，工作温度最高可达700℃，而最大压力可达30Mpa。
2.11气液两相介质（湿气）
对湿气（气体中含有水分）的流体测量始终是流量测量中的一个难点。而锥形流量计采用独特的锥体设计，使气体中所含有的大部分水份沿锥体从管道中央温度较高的地方向周围温度较低的地方快速移动，从而产生凝露，沿锥体向管道底部下滴，由于锥体对流体整形，加速了管壁流体的流速，水份也快速通过，不会在取压口产生大量凝露。所以，气体含有少量水份，对流量计取压口产生的干扰信号少，提高了测量正确率。但是气体中含水不超过5%为好，最多应不超过10%。
孔板流量计对流体阻挡式设计，在孔板中央产生滴露，同时管壁流体受到阻挡，流速减慢，正取压口附近产生的凝露会影响取压信号；流体流经孔板后产生的涡流，向管壁作波动性发散，影响负取压口取压信号。因此，湿气对孔板的测量精度会产生较大的负面影响，从而影响测量。故而，孔板及其他方式测量湿气往往难以达到预期的效果。
综上所述，在可预见的将来，锥形流量计必将发挥越来越重要的作用。