彎管流量計測量原理

  一、引言

      彎管流量計廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力、冶金、鋼鐵等行業(yè)的液體、氣體和蒸汽流量測量，能在Φ10mm～Φ2000mm的大范圍管道中測量各種流體的流量，彎管傳感器可耐高溫、高壓、可在潮濕、粉塵、振動等各種惡劣的環(huán)境中正常工作，無插入件，無附加阻力損失，結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便。

      二、彎管流量計的工作原理

      1、原理

      流體在管道中流動，在流經(jīng)彎管時，流體類似于流過一個整流器，由于彎曲管壁 的導(dǎo)流作用，在進(jìn)入彎管前2D左右流體內(nèi)側(cè)被加速，而流體外側(cè)被減速，直至進(jìn)入彎管流體的流速形式被整流成近似于自由旋流理論描述的梯形速度流動模式，且 在彎管45°截面處達(dá)到zui大，這個過程將持續(xù)在整個彎管中。在彎管出口處及下游2D范圍內(nèi)，流速模型的變化過程是進(jìn)口變化的反過程。彎管在45°截面各質(zhì) 點流速分布如圖1所示。 

      根據(jù)質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律和動量守恒定律，在相同過流截面，各流質(zhì)點 的能量不變，由于各質(zhì)點流速的變化，就形成了彎管的內(nèi)外側(cè)壓差△P。這個壓力差在45°截面時達(dá)到zui大，zui穩(wěn)定。且45°彎管斷面的流體平均速度v與壓差 DP符合平方比例關(guān)系，流量愈大，差壓愈大。流體流過彎管時的流量系數(shù)與彎管的幾何結(jié)構(gòu)尺寸（彎曲半徑R和內(nèi)徑D）有密切關(guān)系，即流量系數(shù) a＝f（R，D） 因此當(dāng)彎管傳感器的幾何結(jié)構(gòu)尺寸確定之后，只要測取彎管45°截面的內(nèi)、外側(cè)壓差DP和流體的密度r就可以確定流體的平均流速v。

      2、數(shù)學(xué)表達(dá)式

                              （1）

      式中
      a（R．D）—流量系數(shù)；
      DP—45°截面內(nèi)、外側(cè)壓差； 
      D—彎管內(nèi)徑 ；
      R—彎管彎曲半徑；
      r—流體密度。

      根據(jù)管道流體流速v與流量Q的關(guān)系就可以得到以下流量計算公式：

      Q=p D2/4﹒v3.6r  t/h                      （2）

      三、測量系統(tǒng)的組成

      彎管流量計的基本組成包括彎管傳感器和主機(jī)，還需要配置差壓變送器、壓力變送器和溫度變送器，系統(tǒng)組成如圖2所示。

      1、差壓變送器用來檢測彎管傳感器產(chǎn)生的差壓值，因此它是彎管流量計測量系統(tǒng)*的配件。

      2、系統(tǒng)是否配置壓力和溫度變送器，要根據(jù)具體測量對象來決定，對于測量蒸汽或其它氣體介質(zhì)的系統(tǒng)，原則上必須配置溫度和壓力變送器，因為在測量彎管傳感器差壓的同時，必須測量介質(zhì)的溫度、壓力值，以便能對蒸汽或氣體進(jìn)行必要的實時溫、壓補(bǔ)償。見圖3。

      四、測量系統(tǒng)特點

      1、傳感器結(jié)構(gòu)簡單

      彎管傳感器利用管道系統(tǒng)彎頭作檢測元件，無附加壓損及專門安裝節(jié)流元件是其優(yōu)點，彎管取壓口開在45^o處，取壓口結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)孔板相同，兩個平面內(nèi)的兩個取壓口對準(zhǔn)，使其能處于同一條直線上，如圖4。

      彎管傳感器是機(jī)加工而成的幾何精度很高的90^o彎頭，它是彎管流量計的核心部件。每個流量傳感器因幾何尺寸不同，流量系數(shù)也各不相同。采用數(shù)控機(jī)床加工的彎管傳感器，彎管內(nèi)壁應(yīng)盡量保持光滑，各項幾何結(jié)構(gòu)尺寸可以保證，流量計的準(zhǔn)確度等級也達(dá)到1.0級。

      2、免維護(hù)的流量傳感器

      彎管流量計在工作中不會磨損；在高速流體沖擊下不會變形、扭曲、震動；對于 環(huán)境中可能出現(xiàn)的震動、粉塵、潮濕、電磁場干擾不敏感；經(jīng)過長周期運(yùn)行，其穩(wěn)定性、靈敏度、準(zhǔn)確性不會發(fā)生明顯變化；能在zui大程度上防止傳感器被粘污、結(jié) 疤、堵塞等等。保證了流量計長期高精度測量的工作狀態(tài)。

      彎管傳感器因耐磨損、免維護(hù)、長周期高精度運(yùn)行的特點，可滿足直接焊接安裝的技術(shù)條件，焊接法安裝解決了流量測量裝置現(xiàn)場跑、冒、滴、漏等令人頭痛的問題。

      3、無任何附加節(jié)流件或插入件，無附加壓力損失，節(jié)約能源

      對孔扳流量計來說，流體在孔板上的壓力損失是不可恢復(fù)的，其損失可達(dá)孔板在該流量下產(chǎn)生的差壓值的60%~80%，為了提高其測量精度，設(shè)計人員在選定孔板流量計的工作差壓值時一般都取高值，使該壓力損失成為不可忽視的數(shù)值。

      彎管流量計則不存在管道附加阻力損失的問題，孔板的節(jié)流損耗可簡單地看作是彎管流量計的節(jié)能效果，這對于那些大系統(tǒng)、大管徑、大流量、低壓力的測量對象好處更加明顯。

      4、可測量容易臟污、易堵塞傳感器的流體

      循環(huán)水水質(zhì)較差，對流量測量裝置的污染較大。孔板流量計的節(jié)流件或渦街流量 計的插入件極易被循環(huán)水玷污或堵塞，尤其是孔板節(jié)流口的直角部分，即使是輕微的玷污也會對測量精度造成極大的影響。彎管傳感器對于類似循環(huán)水這樣的介質(zhì) （如裂解產(chǎn)生的高溫裂解氣等）其適應(yīng)性是不用懷疑的，即使是長期的運(yùn)行也能保證彎管流量計的正常工作，保證其足夠的測量精度。

      5、適應(yīng)性強(qiáng)，量程范圍寬、直管段要求不嚴(yán)格

      只要是能用孔板、渦街，均速管等流量計進(jìn)行測量的流體都可用彎管流量計來進(jìn)行流量測量，且在耐高溫、耐高壓、耐沖擊、耐震動、耐潮濕、耐粉塵等方面，彎管流量計遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于這些常用的流量計。

      高溫、高壓、沖擊、震動使渦街流量計適用范圍十分有限，這與它的測量原理有關(guān)。震動、沖擊對彎管傳感器的正常工作幾乎沒有影響，而高溫、高壓對于彎管傳感器來說只要采用與工藝管道相同材質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)彎頭，就可以得到解決。

      量程范圍寬，一方面是指彎管流量計對于其測量介質(zhì)的流速適用范圍寬。如蒸汽 或其它氣體介質(zhì)，流速范圍為5m/s～70m/s，液體介質(zhì)流速范圍為0.3m/s～5m/s。有足夠精度的微差壓變送器相配合，則流體流速的低限可取得 很小。高質(zhì)量微差壓變送器的應(yīng)用使彎管流量計能夠適應(yīng)低流速、小信號測量的要求。總之，彎管流量計的量程范圍*可以滿足不同對象的流量測量的要求。

      量程范圍寬的另一方面是指彎管傳感器的幾何尺寸沒有限制，管徑可從十幾毫米 到1m甚至2m以上。直管段要求不嚴(yán)格也是彎管流量計在現(xiàn)場使用中十分重要的特點之一，許多流量測量裝置都因為現(xiàn)場直管段不能滿足要求而不能進(jìn)行測量或不 能保證其測量精度。彎管流量計在實際應(yīng)用時只需保證前5D、后2D，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其它流量測量裝置的要求。

      6、測量精度高

      實驗證明，彎管流量計的測量準(zhǔn)確度可達(dá)到1.0%。

      7、測量數(shù)據(jù)可直接接入DCS系統(tǒng)

      測量數(shù)據(jù)可引入DCS，它可實現(xiàn)溫壓補(bǔ)償?shù)冗\(yùn)算功能，可實現(xiàn)瞬時量、累計量、報表、打印等功能

      8、可以實現(xiàn)雙向計量