V內錐形流量計在野外水資源計量上的優(yōu)點(diǎn)

1 地下水資源計量用表的安裝環(huán)境和要求

野外的電機井越打越深，由于干旱和大量抽采地下水用于灌溉，使地下的蓄水層越來(lái)越深，意味著(zhù)地下水資源越來(lái)越匱乏。灌溉用水日益緊張，地下水資源的計量問(wèn)題應該提到日程上來(lái)了。安裝計量用表可合理分配和有效地利用有限的水資源，提高灌溉效率，杜絕不必要的浪費。超過(guò)分配的水量，進(jìn)行合理的收費會(huì )更有效地制約和杜絕浪費越來(lái)越匱乏的水資源。

一般的電機井都在野外，很少有在村落中的。由于建設費用的原因，井口泵房的建設，空間都很狹小，彎頭、三通和閥門(mén)等管件較為集中，流量?jì)x表安裝距離要求緊湊，一般直管段伸展不開(kāi)。另外離心泵的泵口壓力和脈動(dòng)較大，電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和電機的電磁強度都會(huì )對流量?jì)x表有一定的影響。還有由于直接抽采的是地下水，水中會(huì )漂浮極細的細沙，會(huì )造成對流量?jì)x表的磨損；同時(shí)會(huì )有氣體、液體和固體混相流動(dòng)的情況，要求流量?jì)x表不受較大的影響。因為是貿易結算用表，準確度一般要求較高（見(jiàn)表1）。

表1  用能單位能源計量器具準確度等級要求

地下水資源計量用流量?jì)x表的要求，儀表上游雖然有彎頭、三通和閥門(mén)等管件較為集中的現象，但流量?jì)x表安裝整流直管段要求要盡量的短；泵口的壓力較大，所選用的流量?jì)x表要有一定的耐壓強度；同時(shí)泵口流體的脈動(dòng)較大和電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和電機的電磁強度，所以所選用的流量?jì)x表要有一定的抗泵口脈動(dòng)和電壓波動(dòng)還有電磁強度的能力；由于水中漂浮細沙，會(huì )造成對流量?jì)x表的磨損，所以所選用的流量?jì)x表要有一定抗磨損能力，最好沒(méi)有可動(dòng)的部件和較銳利的部件，準確度保持持久，且準確度等級還得達到表1的要求。

2 對地下水資源計量用表的特點(diǎn)比較

水資源計量常用的流量計有水表、渦輪、孔板、渦街、超聲、電磁流量計和V內錐形流量計。相關(guān)流量?jì)x表特點(diǎn)比較見(jiàn)表2。

表2 幾種可用于地下水資源計量用表對環(huán)境要求的比較

從表2可以看到，渦街流量計由于工作原理的原因，安裝在泵口抗脈動(dòng)不好。渦輪、孔板、渦街、超聲、電磁流量計均要求較長(cháng)的直管段，一般上游要求10D~20D，下游要求5D~10D。渦輪流量計有高速旋轉的葉輪、軸和軸承很容易被水中漂浮的細沙磨損，超聲和電磁流量計造價(jià)較貴�？装辶髁坑嬁装迦肟谶吘変J利較易磨損，且壓力損失較大。水表雖然不需要直管段，但有旋轉的葉輪，非金屬的軸和軸承更容易被水中漂浮的細沙磨損。V內錐形流量計直管段要求較短，一般上游要求0D~3D，下游要求0D~1D，抗脈動(dòng)、波動(dòng)和電磁較好，沒(méi)有旋轉部件，耐磨性較好，因此可延長(cháng)使用壽命和檢定周期。從表2的第5、6項安裝方面，第1、2、3項抗脈動(dòng)、波動(dòng)、和電磁方面，和第4、8項耐磨性方面，還有第7項壓力損失、第9項可延長(cháng)檢定周期。V內錐形流量計對地下水資源計量有諸多優(yōu)點(diǎn)。

3 V內錐形流量計能矯正以畸變的速度分布

V內錐形流量計能矯正畸變的速度分布，由于管內流體作用在V形內錐體上，V形內錐體起到了整流作用，實(shí)驗結果表明V形內錐體不但能改善速度分布，還能在很大程度上消除上游管件造成的旋渦二次流。由圖1可見(jiàn)上游不穩定流場(chǎng)造成的紊亂的速度分布，和由V形內錐體重新塑造的新的流場(chǎng)和速度分布。因此V內錐形流量計的上游，不需要安裝任何形式的整流器和僅需很短的直管段，一般上游要求0D~3D（當V內錐形流量計安裝在閥門(mén)的下游時(shí)，要求3D），下游要求0D~1D。經(jīng)測試將安裝在單彎頭之后，在0D~20D的距離內，流出系數C的變化全部在0.05%以?xún)�，如圖2。

圖1 V內錐的整流作用

圖2 V內錐形流量計在一個(gè)彎頭下游流出系數C的變化率

當流體流過(guò)特殊輪廓的V形內錐體時(shí)，會(huì )在V形內錐體表面形成邊界層，疏導流體離開(kāi)錐體尾部，從而減少V形內錐體的表面的磨損。V形內錐體的錐尾處流通面積最小，經(jīng)過(guò)V形內錐體的流體的流速越來(lái)越快，因此可將V形內錐體表面和管內壁污物、泥沙等固體顆粒帶向下游，始終確保無(wú)污物、泥沙在流量計中沉積，非常適用于泥沙、臟污流體的流量測量。沒(méi)有轉動(dòng)的零部件，幾乎沒(méi)有維修。與流體接觸的是一個(gè)較大的面，比較耐磨損，因此準確度可長(cháng)期保持不變，所以V內錐形流量計可根據水質(zhì)、水量和頻度適當延長(cháng)檢定周期。

V內錐形流量計的設計和制造，可以保證V形內錐體錐尾部決定β值的邊緣不會(huì )由于接觸流體而磨損，從而改變β值。當流體流入V內錐形流量計時(shí)，高速的核心流動(dòng)的流體將按著(zhù)新的流場(chǎng)和流速分布，與靠近管內壁的邊界層相互作用；于是形成一個(gè)二次的邊界層沿著(zhù)錐體表面重新分布。從而使V內錐形流量計按設計的方式工作，正常發(fā)揮其性能，如圖3所示邊界層效應。

圖3 錐體周?chē)�的邊界層效應及決定直徑比β值的邊緣

V內錐形流量計特殊的內錐體結構可以減弱被測壓力（差壓）場(chǎng)中脈動(dòng)（振蕩）的幅值，從而減小差壓信號中的噪聲。

4 V內錐形流量計的優(yōu)點(diǎn)

采用標準化的圓錐設計，可以起到整流器的作用，使流場(chǎng)速度分布更加均勻，從而減少流體壓力損失，降低能耗。由于V內錐形流量計不受速度分布的影響，因此可將V內錐形流量計安裝在一個(gè)其他流量計無(wú)法適用的很短的直管上和很小的空間里。減小了上下游直管段和整流器的投入，和減小了泵房的建設面積，因此可使原始投資大大降低，見(jiàn)圖4。

圖4 V內錐形流量計典型安裝裝圖

在絕大多數的使用場(chǎng)所，測量準確度可達±0.5%，重復性可達±0.1%。V錐形流量計優(yōu)于±0.5%的準確度時(shí)，每一臺流量計都要在接近使用的條件下對它進(jìn)行實(shí)流校準。V內錐形流量計量程比最大可達15：1，一般可達10：1，適用于低流速，最小雷諾數可為8000。V內錐形流量計設計壓力可達4MPa或6MPa，V內錐形流量計尚未達到標準化的程度。