各种流量计所适用的流体范围一览表

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。

7.典型产品剖析:

7.1从速度分布,流动调整及直管段要求作横向剖析.

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。

10、参考文献：

[1]INTERNATIONAL STANDARD ISO 5167-1 2nd edition 2003-03-01

Measurement of fluid flow by means of pressure differential devices inserted in circular cross-section conduits running

full-

Part1:General Principles and requirements;

[2]INTERNATIONAL STANDARD ISO 5167-2 First edition 2003-03-01

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Part2:Orifice Plates;

[3]INTERNATIONAL STANDARD ISO5167-3 First edition 2003-03-01

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Part3:Nozzles and Venturi nozzles;

[4]INTERNATIONAL STANDARD ISO5167-4 First edition 2003-03-01

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Part4:Venturi tubes;

[5] FLOW MEASUREMENT 2001-International Conference

Derivation of An Expansibility Factor For the V-cone Meter, Dr.D.G. Stewart,NEL etc

[6]R.W.Miller, Flow Measurement Engineering Handbook 3rd edition, McGRAW-HILL Book Company,1996

[7]国际流量计量学术动态及发展趋势，孙延祚，仪器仪表标准化与计量，2002年第3期，33至35页，第4期，21至25页。

[8]国际流量计量学术动态及发展趋势，孙延祚，天然气工业，2003年1月23卷No.1,84至88页。

[9]Philip A Lawrence, V-CONE TECHNOLOGY ,DP Metering for the New Milienium, McCROMETER公司公开发表的资料。

[10]ISO/TC30/SC05/WG01撰写的ISO/WD17089,Measurement of Fluid Flow in Closed Conduits, Ultrasonic Meters for Gas; Draft version 1,Aug.05.2003

[11]中华人民共和国国家标准GB/T 18604-2001,用气体超声流量计测量天然气流量，2001-12-30 发布。2002-08-01实施。中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局发布。

[12]Measurement of Gas By Multipath Ultrasonic Meters Transmission Measurement committee Report No.9, June 1998

[13]International Standard ISO9951 First edition 1993-12-01 Measurement of Gas Flow in Closed conduits-Turbine Meters, Ref. number:ISO9951:1993(E)

[14]North Sea Flow Measurement Workshop, 22nd-25th, Oct. 2002,

David G. Stewart, NEL etc.

Wet Gas Metering with V-cone Meters

[15]FLOMEKO 2003 Paper Ref.NO.011(第6章 第2篇文章）

"Calibration of large High Pressure V-cone Flowmeter at High Reynolds Numbers in the CEESI Iowa Natural Gas Test Facility"

Steve Caldwell; Tom kegel, R.J.W.Peters

[16][美]R.W 米勒编著 孙延祚译 流量测量工程手册（第一版） 机械工业出版社 1990年5月 北京 第一版