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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。

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：