管流量计的工作原理

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°截面处达到最大，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。

 
图1：弯管在45°截面各质点流速分布

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△P45°截面时达到最大，最稳定。且45°弯管断面的流体平均速度vDP 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。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）与压差。

数学表达式

 

式中，a(R．D—流量系数；)

 
图2：弯管流量传感系统的组成

 
图3：弯管流量计数学模型的框架图

 
图4：弯管流量传感器

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。

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。

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。

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测量系统特点

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90°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，

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；能在最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。

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。

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。

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。

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%。

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

可以实现双向计量

弯管流量计的应用

蒸汽计量

弯管流量计用于蒸汽流量的测量，使蒸汽流量测量装置容易泄漏的难题得到根本性的解决，无阻力损失的优点，可获得更好的经济效益，耐磨损、长周期运行不需要进行复杂维护和修理，使运行维修费用降到最低点。

我厂原蒸汽计量采用标准孔板法兰取压方式，由于S100（10MPa）蒸汽压力高，管径12in.，每套孔板有两个密封垫片，每次在送与停切换过程中，受热胀冷缩作用，导致孔板泄漏，最终无法使用。使用弯管流量计，采用焊接安装,彻底解决了以上弊病，保证了S100计量表的长周期运行。

利用弯管流量计可测双向流原理，在一条管道上安装一个流量传感器，安装两台差压变送器，可以实现双方互供蒸汽的计量，两台差压变送器正负压相互反接，采用同一温压补偿，大大节省了开支。如果电厂锅炉出现问题，由我厂给外网提供蒸汽动力，反之，由电厂给我厂提供蒸汽动力，保证了化工一厂辅助锅炉产S100、S40、S10、S8蒸汽平衡，同时也确保了双方互供蒸汽的计量准确度。

温压补偿

为了保证蒸汽介质流量测量的准确性，必须在测量介质流量的同时，测量出介质的温度和压力值，利用DCS的运算补偿功能，在线对介质的密度进行计算和补偿。温压补偿公式如下：

 

式中，FiFoPkPa）；PbkPa）；T(℃)；Tb(℃)。—参比温度—测量温度—参比压力（—测量压力（—补偿后流量；—测量流量；

我厂采用日本横河的CS3000 DCS控制系统，它具备在线温压补偿运算的功能，能对我厂蒸汽测量中密度的变化进行必要的在线补偿和修正。如图5，在温压补偿功能块TPCFL的详细组态中，需要填写是温度补偿还是压力补偿，可同时补偿，也可单独补偿。

 
图5：温压补偿功能块组态图

使用中几点注意事项

弯管流量计是一种差压式流量计，针对常用流体，其产生的差压值介于100Pa~60kPa之间，比孔板流量计产生的差压值要小，一些安装中的不正确，均会给测量带来较大的误差，

（1）在含水量较高的气体测量中，避免水进入导压系统，造成系统无法测量。

在压缩空气、燃料气、裂解气等很多气体流体中均含有大量的水份，基本是处于饱和状态，有的在管道的下方形成水层，采用常规安装方式，水会流入弯管传感器内侧取压口，进入导压系统，外侧也会有少量的凝结水进入，正负压导管中进水量不等，给差压的测量带来不可确定的附加误差，应使弯管传感器的两侧取压体均向上倾斜，并向上引导压管，连接差压变送器，即避免了管道中的水进入导压系统，又可以使导压系统中凝结的水顺利流回管道中，不会影响计量。

如果考虑差压变送器维护的方便等原因，要求差压变送器必须装在管道下方，可采用取压体及导压管先向上，再向下，避免大量的水流入导压系统，并在导压系统的最低点加装集液罐，使得导压系统凝结的水流入集液罐中，定期排水，可以保证正常计量。

(2) 蒸汽流量测量中，导压系统用于导压的介质为水，常温水的密度为998kg/m3(20℃时)，1mm水柱产生的压力约为9.8 Pa，如采用传统的冷凝罐作为液位平衡器，管道中温度压力的突变会打破冷凝罐中的平衡状态，造成液位波动，对于孔板流量计（产生的压力差约为10~100kPa）影响很小，但对于弯管流量计在小流量测量中则可能产生较大的影响。

弯管流量计选用盘式冷凝器作为液位平衡器，安装时只要保证盘面水平，汽、液分界面在同一水平面前后移动，液位高度始终处于同一水平面，起到了良好的液位平衡作用，仪表投用后，遇到蒸汽停止输送时，对差压变送器进行零点迁移，可解决液位不平衡造成的零点误差。

(3) 任何流量计均存在着小流量问题。弯管流量计虽然相对其它流量计性能良好，但依然存在着一个下限指标（流速≥5m/s），所以在选择弯管传感器口径时，一定保证最低流速大于5m/s，即使实际流量偏高，弯管流量计在高达120m/s流速情况下，依然保证测量精度（调整差压变送器量程即可实现）。

结论

综上所述，弯管传感器中没有插入件或者节流件等流量转换环节和元件，只是将作为弯管传感器的标准弯头代替原来安装在管道上的弯头进行流量测量，因此弯管流量计是名副其实无附加压力损失的节能型流量测量装置。长期高低温工作条件下不会老化、变质而降低稳定性和灵敏度；对于环境中可能出现的震动、粉尘、潮湿、电磁干扰不敏感；长期运行稳定性、灵敏度、准确性不发生变化。