弯管流量计的工作原理和系统特点

一、引言

弯管流量计广泛应用于石油、化工、电力、冶金、钢铁等行业的液体、气体和蒸汽流量测量，能在Φ10mm～Φ2000mm的大范围管道中测量各种流体的流量，弯管传感器可耐高温、高压、可在潮湿、粉尘、振动等各种恶劣的环境中正常工作，无插入件，无附加阻力损失，结构简单，安装方便。

二、弯管流量计的工作原理

1、原理

流体在管道中流动，在流经弯管时，流体类似于流过一个整流器，由于弯曲管壁 的导流作用，在进入弯管前2D左右流体内侧被加速，而流体外侧被减速，直至进入弯管流体的流速形式被整流成近似于自由旋流理论描述的梯形速度流动模式，且 在弯管45°截面处达到zui大，这个过程将持续在整个弯管中。在弯管出口处及下游2D范围内，流速模型的变化过程是进口变化的反过程。弯管在45°截面各质 点流速分布如图1所示。

根据质量守恒定律、能量守恒定律和动量守恒定律，在相同过流截面，各流质点 的能量不变，由于各质点流速的变化，就形成了弯管的内外侧压差△P。这个压力差在45°截面时达到zui大，zui稳定。且45°弯管断面的流体平均速度v与压差 DP符合平方比例关系，流量愈大，差压愈大。流体流过弯管时的流量系数与弯管的几何结构尺寸（弯曲半径R和内径D）有密切关系，即流量系数 a＝f（R，D） 因此当弯管传感器的几何结构尺寸确定之后，只要测取弯管45°截面的内、外侧压差DP和流体的密度r就可以确定流体的平均流速v。

2、数学表达式

（1）

式中

a（R．D）—流量系数；

DP—45°截面内、外侧压差；

D—弯管内径 ；

R—弯管弯曲半径；

r—流体密度。

根据管道流体流速v与流量Q的关系就可以得到以下流量计算公式：

Q=p D2/4﹒v3.6r t/h （2）

三、测量系统的组成

弯管流量计的基本组成包括弯管传感器和主机，还需要配置差压变送器、压力变送器和温度变送器，系统组成如图2所示。

1、差压变送器用来检测弯管传感器产生的差压值，因此它是弯管流量计测量系统必不可少的配件。

2、系统是否配置压力和温度变送器，要根据具体测量对象来决定，对于测量蒸汽或其它气体介质的系统，原则上必须配置温度和压力变送器，因为在测量弯管传感器差压的同时，必须测量介质的温度、压力值，以便能对蒸汽或气体进行必要的实时温、压补偿。见图3。

四、测量系统特点

1、传感器结构简单

弯管传感器利用管道系统弯头作检测元件，无附加压损及专门安装节流元件是其优点，弯管取压口开在45o处，取压口结构与标准孔板相同，两个平面内的两个取压口对准，使其能处于同一条直线上，如图4。

弯管传感器是机加工而成的几何精度很高的90o弯头，它是弯管流量计的核心部件。每个流量传感器因几何尺寸不同，流量系数也各不相同。采用数控机床加工的弯管传感器，弯管内壁应尽量保持光滑，各项几何结构尺寸可以保证，流量计的准确度等级也达到1.0级。

2、免维护的流量传感器

弯管流量计在工作中不会磨损；在高速流体冲击下不会变形、扭曲、震动；对于 环境中可能出现的震动、粉尘、潮湿、电磁场干扰不敏感；经过长周期运行，其稳定性、灵敏度、准确性不会发生明显变化；能在zui大程度上防止传感器被粘污、结 疤、堵塞等等。保证了流量计长期高精度测量的工作状态。

弯管传感器因耐磨损、免维护、长周期高精度运行的特点，可满足直接焊接安装的技术条件，焊接法安装解决了流量测量装置现场跑、冒、滴、漏等令人头痛的问题。

3、无任何附加节流件或插入件，无附加压力损失，节约能源

对孔扳流量计来说，流体在孔板上的压力损失是不可恢复的，其损失可达孔板在该流量下产生的差压值的60%~80%，为了提高其测量精度，设计人员在选定孔板流量计的工作差压值时一般都取高值，使该压力损失成为不可忽视的数值。

弯管流量计则不存在管道附加阻力损失的问题，孔板的节流损耗可简单地看作是弯管流量计的节能效果，这对于那些大系统、大管径、大流量、低压力的测量对象好处更加明显。

4、可测量容易脏污、易堵塞传感器的流体

循环水水质较差，对流量测量装置的污染较大。孔板流量计的节流件或涡街流量 计的插入件极易被循环水玷污或堵塞，尤其是孔板节流口的直角部分，即使是轻微的玷污也会对测量精度造成极大的影响。弯管传感器对于类似循环水这样的介质 （如裂解产生的高温裂解气等）其适应性是不用怀疑的，即使是长期的运行也能保证弯管流量计的正常工作，保证其足够的测量精度。

5、适应性强，量程范围宽、直管段要求不严格

只要是能用孔板、涡街，均速管等流量计进行测量的流体都可用弯管流量计来进行流量测量，且在耐高温、耐高压、耐冲击、耐震动、耐潮湿、耐粉尘等方面，弯管流量计远远优于这些常用的流量计。

高温、高压、冲击、震动使涡街流量计适用范围十分有限，这与它的测量原理有关。震动、冲击对弯管传感器的正常工作几乎没有影响，而高温、高压对于弯管传感器来说只要采用与工艺管道相同材质的标准弯头，就可以得到解决。

量程范围宽，一方面是指弯管流量计对于其测量介质的流速适用范围宽。如蒸汽 或其它气体介质，流速范围为5m/s～70m/s，液体介质流速范围为0.3m/s～5m/s。有足够精度的微差压变送器相配合，则流体流速的低限可取得 很小。高质量微差压变送器的应用使弯管流量计能够适应低流速、小信号测量的要求。总之，弯管流量计的量程范围完全可以满足不同对象的流量测量的要求。

量程范围宽的另一方面是指弯管传感器的几何尺寸没有限制，管径可从十几毫米 到1m甚至2m以上。直管段要求不严格也是弯管流量计在现场使用中十分重要的特点之一，许多流量测量装置都因为现场直管段不能满足要求而不能进行测量或不 能保证其测量精度。弯管流量计在实际应用时只需保证前5D、后2D，远远低于其它流量测量装置的要求。

6、测量精度高

实验证明，弯管流量计的测量准确度可达到1.0%。

7、测量数据可直接接入DCS系统

测量数据可引入DCS，它可实现温压补偿等运算功能，可实现瞬时量、累计量、报表、打印等功能

8、可以实现双向计量