弯管流量计技术实用性研究及工业应用

一、概述

       近年来唐山天辰电器对弯管流量计的深入研究和广泛应用。得到广大用户的认可和赞誉。在此我们把弯管流量计测量流体技术实用性研究及工业应用做以展示。

　　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。

      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。但所有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。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推广和应用。

                                      

　　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光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。

            

四、弯管流量计技术实用性的研究

近几年来弯管流量计一种民族工业产品，在全国各行业中得到广泛推广，得到广大用户在各种测量介质的广泛应用和认可。这首先归功于我们这些对弯管流量计不断研究、试验、开发、应用的生产企业，归功于广大用户的大力支持和配合，更是弯管流量计产品自然的科学理论、准确、稳定的产品特性的全面体现。

唐山天辰电器有限公司在这几年的推广应用中，在蒸汽测量、气体测量、液体测量、小流量小口径测量中取得了优秀的业绩和丰富的经验。希望能够抛砖引玉，使更多用户使用和体验弯管流量计产品的优秀品质。借以推广我们的民族企业产品。

蒸汽在工业生产过程中应用广泛。因此弯管蒸汽流量计在工矿企业应用较多。蒸汽介质分为饱和蒸汽、过热蒸汽。在测量中两种不同蒸汽介质采取的补偿方式不同，过热蒸汽，采用温压补偿方式。饱和蒸汽选择压力或温度的单一补偿方式。在电厂锅炉蒸汽出口中温中压过热蒸汽的测量中。我公司采用12Cr1MoV材质传感器、配置温压补偿，选择仪表显示或数据直接进入DCS系统。为众多中小型电厂解决了中温中压锅炉蒸汽出口的测量问题。解决了压损问题，降低了运行费用，节约能源，降低成本。同时测量准确、运行稳定、免维护。在工业锅炉蒸汽测量应用中，为企业生产过程控制和节能降耗提供了可靠的测量依据。在电厂蒸汽外网的应用中，因存在贸易结算问题，容易引发矛盾和纠纷。弯管蒸汽流量计在我们实际应用的用户中，从未出现过此类问题。第一我们在出厂时进行了严格的出厂校验，产品质量、安装质量优秀。第二在用户的要求下我们为用户提供第三方认证的服务。在实际管网应用中。我们对总表和各分表数据相加进行了比对。结果证明，我们的测量数据非常准确。使用单位结合自己的工艺参数用量比对，反映非常满意。通过众多用户的使用后总结：弯管流量计在蒸汽测量中，测量准确、运行稳定、免维护，是测量蒸汽的最佳选择。

              

气体测量应用的广泛性。弯管气体流量计在气体测量中的测量介质：高炉煤气、焦炉煤气、发生炉煤气、空气、烟气、氯气、氧气、氮气、氩气、二氧化碳等等。特别是在测量脏污气体介质中无以伦比。在脏污介质的测量中使用传统的孔板流量计及插入式流量计很难保证长时间运行稳定，维护费用高。使用弯管气体流量计这些问题基本不复存在。一，结合介质特点，采用一体式结构简化安装方式，有效的保证了运行。二、选配合理配件简化维护工艺，快捷方便。通过对高炉煤气、焦炉煤气、发生炉煤气、烟气等介质的应用无一出现问题。因此在冶金、化工、陶瓷等行业应用较多，目前一些企业更换仪表及新建企业设计院选型基本选用我公司该产品。

             

在液体测量中供热管网热力站热水、补水测量是弯管液体流量计的典型应用，应用最为广泛。目前热力系统普遍使用弯管流量计作为计量仪表。我公司生产的热水表功能齐全，除显示流量测量数据外还提供热量、热量差的测量数据。同时提供运程数据传输GPRS系统。为热网监控提供了先进的整套系统。

             

小口径小流量一体式流量计是我公司的专利产品，真正是一枝独秀，解决了许多长时间困扰用户不能解决的问题。如汽车风门数据标定，采用进口设备价格昂贵，使用我们提供的小流量一体式流量计后，测量数据与国外进口设备测量数据比较，完全一致，用户非常满意。玻璃镀膜工艺，材料介质用量控制要求非常精确，但管道口径小，流量低，测量难度大。用户以尝试性心里试用一套后，达到了其意想不到的效果。马上定购几十套，使用非常满意。炼钢炉底吹氩工艺，测量数据非常关键，但流量太小，使用多种流量计无法取得测量数据。经推荐找到我公司支援。敝司一体式小流量计安装后一次性解决问题。双方建立了长期合作关系。等等不一一列举。目前该产品我公司以批量生产，解决各行业小流量的测量问题，满足用户的需求。

          

五、弯管流量计的基本特点及与其它流量计性能比较 

　　1、结构简单，性能价格比优越 

　　弯管传感器是用标准几何90度弯管加工制作而成的，法兰式取压的孔板流量计是市场上价格最便宜的流量计，弯管流量计的价格完全可以和它相比。

　　2、免维护的流量传感器 

　　真正意义上的免维护流量测量装置是没有的，我们这里所谓的免维护流量测量装置应该具备如下的基本品质：工作中不会磨损或者对磨损不敏感；在高速流体冲击下不会变形、扭曲、震动；长期高低温工作条件下敏感元件不会老化、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、电磁场干扰不敏感；经过长周期运行它的稳定性、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。符合免维护传感器的标准，保证了流量计长期高精度测量的工作状态。而孔板流量计的节流口对微量磨损就十分敏感。规程规定，计量用孔板流量计的孔板每年必须进行一次或一次以上的强制性磨损检查，这是保证孔板流量计准确计量的必要条件。对于那些大管径的孔板和蒸汽孔板，其拆装难度之大，维修费用之高，给使用者带来了额外的负担。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 

　　这一特点给弯管流量计的工业化应用带来了巨大的便利和经济效益。 

　　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。 

　　在蒸汽测量系统中，为维持一台安装在百吨/小时流量管道上的孔板流量计正常运行，年耗电数万度，折合人民币数万元。这里仅考虑孔板流量计压力损失为几十千帕，为使这个问题有一个量的概念，我们做出了一些推算列在表中。 

　　表一的数据为蒸汽流量测量中不同的压力损失，孔板流量计引起的额外耗电量、电耗费用，其中运行天数按360天计算，电价按0.4元计算。 

　　

表一

 

 

由表一可见流量为5000m3/h的蒸汽，当孔板压力损失为20KPa时，运行费用为9.6万元。而弯管流量计没有附加阻力损失，如用弯管流量计代替孔板流量计进行蒸汽流量测量，可大大地降低运行费用，获得可观的经济效益。 

　　4、可测量容易脏污、易堵塞介质的传感器 

　　煤气（包括：高炉煤气、焦炉煤气、发生炉煤气等）、烟气。属脏污介质，容易堵塞、粘连传感器关键部位，直接影响测量。传统孔板流量计及涡街流量计基本无法保证长期运行的准确性与稳定性。循环水水质较差，对流量测量装置的污染影响较大。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煤气、循环水这样的介质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。 

　　我们的措施是：

　　（1） 在允许的范围内尽可能加大取压孔的孔径；

　　（2） 取压孔连接的根部阀选择三通旋塞阀，方便对取压孔进行必要的疏通；

　　（3） 定期用低压蒸汽对取压阀以及取压孔进行吹扫、清洗，对易结疤的介质可以在一定程度上改善弯管传感器的工作状态。 

　　应用案例：冶金行业高炉煤气（中国五矿中板厂、国丰钢铁、唐钢集团等），发生炉煤气（万丰集团、科源环保、雷浩公司等）。不一一列举。

　　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，蒸汽或其它气体介质，流速范围为0~7~70m/s；液体介质流速范围为0~0.3~5m/s。以上所说的流速范围也没有严格的限制，如果被测介质没有上限流速的限制，则流速范围还可更大；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一米甚至两米以上。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、重现性好 

　　实验证明，弯管流量计的测量准确度可达到1.0%。重现性精度高达0.2%。 

　　7、测量数据可直接接入DCS系统 

　　测量数据可直接输入DCS系统。专用主机配有RSR-232、485通讯接口。

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。