弯管流量计的原理及应用解析

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　唐山天辰电器有限公司　　郭艳丽　总工

　　一、前言
　　虽然人们对于弯管流量计的了解不是很多，但是近年来天辰电器对弯管流量计的大力宣传和广泛应用。特别是广大用户的认可和赞誉。使一些业内人士确实感到有些突然和不解，过去人们并不看重的弯管流量计突然受到了特别的重视，市场上的这种变化使人们开始想更多地了解这种既古老又新潮的流量测量装置产生兴趣。为了满足广大用户对产品了解和应用的需要，我们愿意将我们对于弯管流量计的认识和了解介绍给大家，让更多的同仁了解它，关心它、使用它。
　　弯管流量计绝对是一种具有相当悠久发展历史的流量测量装置，在我国高校教科书中早就有关于弯管流量计的介绍，我国技术监督部门编印发行的关于“差压式流量测量装置规程”的手册中也有关于弯管流量计可以作为流量测量装置使用的有关规定，至于其他有关弯管流量计的专著和论文也有不少。事实上我国部分学者涉足弯管流量计的研究少说也已经有四十多年的历史了。至于国外的学者有关弯管流量计的论述比我国还要早几十年，可见弯管流量计的产生和发展等等都是几十年以前就开始的，决不是近十几年来突然冒出来的。因此可以说，弯管流量计是一种具有相当长历史的古老的流量测量装置。
　　为什么有这样悠久历史的弯管流量计没有发展成为人们所熟悉的并得到广泛应用的流量测量装置呢？那是因为我们的一些先辈们早期在对弯管流量计进行了一系列研究之后，几乎是异口同声地宣布了这样一条结论：弯管流量计可以作为流量测量装置使用，但是，其测量精度不高，只能达到3～5%，甚至更低。这个结论性的评语几乎在所有涉及弯管流量计的论文报道专著中反复出现，这对弯管流量计的推广应用无疑是设下了巨大的障碍。有趣的是所有这些学者专家们又都异口同声地表示：弯管流量计重现性精度很高，可以达到±0.2%的水平。这样两个几乎是完全相反的评语使那些有意从事弯管流量计深入研究的学者和工程技术人员感到茫然，而国家权威机构和许多专家、学者在推荐使用弯管流量计时作出了只能作为单台仪表进行实物标定使用的规定和限制。这种规定和限制几乎最终宣判了弯管流量计的死刑，因为任何可以在工业企业中使用的流量测量装置几乎无一例外的都在使用所谓的几何相似的放大规律进行生产和使用，这是因为在工业化使用中，对于大管径、大流量的流量测量装置是不可能采用实物标定法来进行验证和鉴定的。即便有这样特大型的设备可以用来标定也会因为标定介质与实际被测介质的不同,标定实验条件与生产实际条件的差异等等原因不可能完全满足实物标定的要求而需要做许多的简化处理。再退一步说：即便我们确实具备了标定的条件,其标定成本也不是任何单位或用户可以完全承受得了的。因此,我们认为作为一种可以在工业企业中推广应用的流量测量装置而言,必须能够应用几何相似放大原理对产品进行必要的放大和缩小,只是在验证几何放大理论的实用性时需要用实验加以证实。至于进入到产品的规模生产和应用阶段采用实际标定法只是为了对产品进行必要的质量检查与鉴定.这与每一台产品只有进行实物标定之后才能使用是完全不同的两个概念。
　　两个几乎完全对立的结论在我们对于弯管流量计的进一步研究和发展中都起着十分重要的作用。无疑我们要十分重视弯管流量计重现性精度高达±0.2%这个结论。因为重现性精度是测量精度的基础与保证，只有重现性精度足够高的流量测量装置才可能用来制造高精度的流量计，这说明弯管流量计具有作为高质量流量测量装置所必需的基本条件。同时，我们同样也要十分重视弯管流量计测量精度不高的结论。要深入分析造成弯管流量计测量精度不高的原因和解决方法，只有这样，我们才能使弯管流量计获得新生。
　　二、弯管流量计的工作原理
　　弯管流量计与传统的孔板流量计一样同属于差压式流量计的范畴，只是弯管流量计产生差压的方式与孔板流量计不同，孔板是利用流体的缩放原理产生差压的，而弯管传感器是利用流体的惯性原理产生差压的。当流体通过弯管时,由于受弯管的约束流体被迫作类似的圆周运动,流体在作圆周运动时产生的离心力作用于弯管的内外两侧,使弯管传感器内外两侧之间产生一个压力差，该压力差(也就是压差值)的大小与流体的密度有关，与流体的平均流速有关，与流体作圆周运动的曲率半径有关。他们之间遵循作圆周运动物体都必须遵循的牛顿运动定律的有关规律。
　　F=m（V2/R）
　　其中：F—流体对弯管施加的离心力；
　　　　　V—流体值弯管中的平均流速；
　　　　　R—弯管中心曲率半径；
　　我们对上述公式进行整合、积分处理之后，最终获得如下关系式：
　　V=α（R/d）1/2（ΔP/ρ）1/2
　　其中：V—介质中弯管传感器中的平均流速；
　　　　　R/d—弯管传感器的弯径比；
　　　　　ΔP—流体通过弯管传感器时产生的差压值；
　　　　　ρ—介质的密度；
　　这个公式就是弯管流量计的基本公式，它描述了介质在弯管传感器中流动时,介质对弯管施加的离心力与介质的密度，介质的平均流速以及弯管的重要几何尺寸弯径比之间的关系。这里提到的弯径比就是弯管的中心曲率半径与弯管内径的比值，它是描述弯管几何特征的重要参数。弯径比的大小准确地描述了弯管的弯曲程度，随着弯管弯径比的增加，弯管的弯曲程度将减小。它在流量公式中的作用于孔板流量计中的开孔率β值十分相似（β=d/D），随着β值的变化可以改变流体通过孔板时的缩流效果，从而可以在相同的流量条件下获得不同的差压值。同样，改变弯管传感器的弯径比可以改变流体作圆周运动的曲率，从而使同样的介质流量获得不同的离心力（也就是弯管传感器显示的差压值），当然改变弯管弯径比远比改变孔板的开孔率要困难得多。
　　大量的实验证明，我们推导所得的数学公式完全符合实际的结果，只要介质在弯管传感器中流动的最小雷诺数达到一个极低值以上，弯管流量计的流量系数α就是一个定值，这个结论与孔板流量计也是十分相似的。
　　三、“弯管流量计重现性精度很好，而测量精度不高”结论的可信程度
　　为什么那么多的前辈们在谈到弯管流量计时虽然承认他们的重现性精度很高，但是，同时总是认为它的测量精度不高，搞清楚这些问题对于弯管流量计的推广应用有着十分重要的作用，也许下面的分析会给我们一个比较公正的答案。
　　弯管传感器的结构十分简单，它就是一个具有确定几何尺寸的弯头，流体通过弯头产生离心力使弯头的内外两侧产生一个压力差，这个转换原理十分清楚、准确。在弯管传感器工作过程中只要能够重复流体流过弯管传感器的条件和状态，弯管传感器必然会产生不变的差压信号，因此它的重现性精度好的结论是自然成立的。
　　说到弯管流量计测量精度不高的结论时，我们不能超越当时的历史条件和技术水平来讨论。虽然弯管传感器的结构是特别简单，但是，在当时的历史条件下要想获得高质量的弯管并不容易（我们这里所说的高质量弯管包括：弯管的垂直度、水平度、扭曲度、不圆度、均匀度等等，其中弯管的圆度和均匀度对于加工成弯管传感器特别重要，手工或者简单机械的冷弯或者热弯都很难达到弯管传感器对于弯管的基本要求。
　　其二，弯管流量计与孔板流量计一样，也是属于差压式流量计的范畴，在选择配套的差压变送器量程范围时我们都希望其差压范围大一些比较好，这将有利于保证系统测量精度的提高。孔板流量计可以利用选择不同的开孔率β值的方法，使差压变送器的量程范围取得高一些，当然，这样的选择是需要付出代价的，其代价是使介质流动阻力损失大大加大，对于那些大流量、大管径的情况下会大大增加系统的运行费用。
　　弯管流量计则不然，虽然弯管传感器弯径比的缩小有利于提高产生的差压值，但是，这种提高是十分有限的，弯管流量计在实际应用中产生的差压值应该说是相对比较小的，在当时的条件下，差压计的生产技术是比较落后的，它的精度等级、稳定性、零位漂移等等技术指标都不十分理想。对于低差压，甚至微差压的测量要求则更加困难。这样的配套仪表就不能保证弯管流量计能够获得高质量的测量精度。
　　第三，当时的二次仪表的生产技术也是十分落后，当时的指针式二次表除了本身的精度不高之外，其他的功能更是无从谈起，因此，在当时测量流量的二次仪表连最基本的开方运算也无法完成，只好将流量标尺作出非线性的形式。
　　以上三条是限制弯管流量计获得好的测量结果的主要原因。当然，人们对于弯管流量计流量系数的确定，数学模型的建立和正确的应用这些科研工作者的主观判断也是十分重要的因素，总之，历史的、主观的、客观的种种因素使得众多专家学者们得出了弯管流量计测量精度不高的错误结论，使弯管流量计的发展和应用几乎处于完全停止的状态。
　　现在我们在抛开研究者主观因素的条件下，看看前面谈到的客观影响因素的现实条件发生了什么样的变化。
　　首先，弯管的加工目前已经达到了相当高的水平，先进的技术保证和专业化的加工设备使我们获得具有足够精度要求的弯管变得十分容易，这就保证了弯管传感器生产的系列化和规范化成为可能。
　　其次，高质量差压变送器的诞生使弯管流量计的配套产品的质量有了飞跃的发展，质量非常不错的电容式差压变送器及智能型差压变送器的出现和应用使过去伤脑筋的诸如：稳定性不好、精度不高、零位漂移不能很好解决等等一系列问题得到了彻底解决。
　　第三，微电子技术的发展和应用使二次仪表获得了脱胎换骨的新生，测量蒸汽或者其他气体时需要的密度补偿；温度对于传感器产生热膨胀修正和毛病一扫而而在选择弯管流量计时，通常选择与原有管道尺寸相同的弯管传感器来进行流量测量，如果工艺在管道设计时充分考虑到经济运行的要求，那么，介质在弯管传感器中可以产生足够的差压值，保证流量测量系统高质量的运行。
　　综上论述不难看出为何近几年弯管流量计的现场应用反应，精度、稳定性、可靠性如此之高，得到用户及业内人士的广泛认可。据了解，目前弯管流量计技术在世界上我国处于绝对领先地位，我们肩负着民族产业的发扬光大的重任。天辰电器在弯管流量计的生产、安装、应用上有着自己独到理解和创新。弯管气体流量计、蒸汽流量计、液体流量计、小口径高精度流量计国内领先。天辰电器坚持自己的生存理念：人品造就产品、品德决定服务。以此实现公司的持续发展，实现共同发展贡献社会的发展理念。欢迎致电（0315）7872625/26/27。探讨最新流量测量技术。

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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2006年6月