V内锥形流量计在野外水资源计量上的优点

1 地下水资源计量用表的安装环境和要求

野外的电机井越打越深，由于干旱和大量抽采地下水用于灌溉，使地下的蓄水层越来越深，意味着地下水资源越来越匮乏。灌溉用水日益紧张，地下水资源的计量问题应该提到日程上来了。安装计量用表可合理分配和有效地利用有限的水资源，提高灌溉效率，杜绝不必要的浪费。超过分配的水量，进行合理的收费会更有效地制约和杜绝浪费越来越匮乏的水资源。

一般的电机井都在野外，很少有在村落中的。由于建设费用的原因，井口泵房的建设，空间都很狭小，弯头、三通和阀门等管件较为集中，流量仪表安装距离要求紧凑，一般直管段伸展不开。另外离心泵的泵口压力和脉动较大，电网电压的波动和电机的电磁强度都会对流量仪表有一定的影响。还有由于直接抽采的是地下水，水中会漂浮极细的细沙，会造成对流量仪表的磨损；同时会有气体、液体和固体混相流动的情况，要求流量仪表不受较大的影响。因为是贸易结算用表，准确度一般要求较高（见表1）。

表1  用能单位能源计量器具准确度等级要求

地下水资源计量用流量仪表的要求，仪表上游虽然有弯头、三通和阀门等管件较为集中的现象，但流量仪表安装整流直管段要求要尽量的短；泵口的压力较大，所选用的流量仪表要有一定的耐压强度；同时泵口流体的脉动较大和电网电压的波动和电机的电磁强度，所以所选用的流量仪表要有一定的抗泵口脉动和电压波动还有电磁强度的能力；由于水中漂浮细沙，会造成对流量仪表的磨损，所以所选用的流量仪表要有一定抗磨损能力，最好没有可动的部件和较锐利的部件，准确度保持持久，且准确度等级还得达到表1的要求。

2 对地下水资源计量用表的特点比较

水资源计量常用的流量计有水表、涡轮、孔板、涡街、超声、电磁流量计和V内锥形流量计。相关流量仪表特点比较见表2。

表2 几种可用于地下水资源计量用表对环境要求的比较

从表2可以看到，涡街流量计由于工作原理的原因，安装在泵口抗脉动不好。涡轮、孔板、涡街、超声、电磁流量计均要求较长的直管段，一般上游要求10D~20D，下游要求5D~10D。涡轮流量计有高速旋转的叶轮、轴和轴承很容易被水中漂浮的细沙磨损，超声和电磁流量计造价较贵。孔板流量计孔板入口边缘锐利较易磨损，且压力损失较大。水表虽然不需要直管段，但有旋转的叶轮，非金属的轴和轴承更容易被水中漂浮的细沙磨损。V内锥形流量计直管段要求较短，一般上游要求0D~3D，下游要求0D~1D，抗脉动、波动和电磁较好，没有旋转部件，耐磨性较好，因此可延长使用寿命和检定周期。从表2的第5、6项安装方面，第1、2、3项抗脉动、波动、和电磁方面，和第4、8项耐磨性方面，还有第7项压力损失、第9项可延长检定周期。V内锥形流量计对地下水资源计量有诸多优点。

3 V内锥形流量计能矫正以畸变的速度分布

V内锥形流量计能矫正畸变的速度分布，由于管内流体作用在V形内锥体上，V形内锥体起到了整流作用，实验结果表明V形内锥体不但能改善速度分布，还能在很大程度上消除上游管件造成的旋涡二次流。由图1可见上游不稳定流场造成的紊乱的速度分布，和由V形内锥体重新塑造的新的流场和速度分布。因此V内锥形流量计的上游，不需要安装任何形式的整流器和仅需很短的直管段，一般上游要求0D~3D（当V内锥形流量计安装在阀门的下游时，要求3D），下游要求0D~1D。经测试将安装在单弯头之后，在0D~20D的距离内，流出系数C的变化全部在0.05%以内，如图2。

图1 V内锥的整流作用

图2 V内锥形流量计在一个弯头下游流出系数C的变化率

当流体流过特殊轮廓的V形内锥体时，会在V形内锥体表面形成边界层，疏导流体离开锥体尾部，从而减少V形内锥体的表面的磨损。V形内锥体的锥尾处流通面积最小，经过V形内锥体的流体的流速越来越快，因此可将V形内锥体表面和管内壁污物、泥沙等固体颗粒带向下游，始终确保无污物、泥沙在流量计中沉积，非常适用于泥沙、脏污流体的流量测量。没有转动的零部件，几乎没有维修。与流体接触的是一个较大的面，比较耐磨损，因此准确度可长期保持不变，所以V内锥形流量计可根据水质、水量和频度适当延长检定周期。

V内锥形流量计的设计和制造，可以保证V形内锥体锥尾部决定β值的边缘不会由于接触流体而磨损，从而改变β值。当流体流入V内锥形流量计时，高速的核心流动的流体将按着新的流场和流速分布，与靠近管内壁的边界层相互作用；于是形成一个二次的边界层沿着锥体表面重新分布。从而使V内锥形流量计按设计的方式工作，正常发挥其性能，如图3所示边界层效应。

图3 锥体周围的边界层效应及决定直径比β值的边缘

V内锥形流量计特殊的内锥体结构可以减弱被测压力（差压）场中脉动（振荡）的幅值，从而减小差压信号中的噪声。

4 V内锥形流量计的优点

采用标准化的圆锥设计，可以起到整流器的作用，使流场速度分布更加均匀，从而减少流体压力损失，降低能耗。由于V内锥形流量计不受速度分布的影响，因此可将V内锥形流量计安装在一个其他流量计无法适用的很短的直管上和很小的空间里。减小了上下游直管段和整流器的投入，和减小了泵房的建设面积，因此可使原始投资大大降低，见图4。

图4 V内锥形流量计典型安装装图

在绝大多数的使用场所，测量准确度可达±0.5%，重复性可达±0.1%。V锥形流量计优于±0.5%的准确度时，每一台流量计都要在接近使用的条件下对它进行实流校准。V内锥形流量计量程比最大可达15：1，一般可达10：1，适用于低流速，最小雷诺数可为8000。V内锥形流量计设计压力可达4MPa或6MPa，V内锥形流量计尚未达到标准化的程度。