弯管流量计

差压式流量计

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。

发展史

1911年7月，杰考比斯和苏易在美国《动力与气体》杂志上发表了第一篇弯管流量计的研究报告——《利用管道弯管进行水流量测量的方法》，首次向人们介绍了利用管道上现有的工艺弯管测量水流量的弯管流量计测量方法。

1980年之前，美国、德国、日本等国的学者都对弯管流量计作了大量的实验研究，发表了许多论文，取得了阶段性成果。但由于实验数据不足，对流量系数没有取得决定性的进展，使弯管流量计成为系列商品的目的始终没有达到。

1959年，冶金部钢铁研究院马竹梧先生发表了《炼铁炉各个风口鼓风流量的连续测量》论文。

1988年，河北理工大学李志教授带领的科技团队，开始弯管流量计的研究。

1991年，建厂生产弯管流量计。

1994年，通过国家定型鉴定。

2001年，列入重点国家级火炬计划项目。

2012年，已经形成大规模成熟的系列的工业应用产品。

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简介

重点国家级火炬计划项目——弯管流量计是河北理工大学李志教授带领的科研团队，历经20多年孜孜以求开发的具有独立知识产权的中国人的流量计。

弯管流量计巧妙的利用管道本身的特性，在不增加任何节流件、阻流件和中间媒介的情况下，利用管道的自然转弯，因势利导，解决了流量计量的问题，实现了输送和计量的和谐统一。

弯管流量计型号为:SYWL,是根据流体力学和动力学理论设计制造的新一代全新概念的差压式流量测量系统，广泛应用于冶金、化工、热电、纺织、制药、石油、天然气、造纸、烟草、食品加工、热力等行业的液体、气体、蒸汽的测量，可直接联入DCS系统，适用于各种工业现场,可作为长期监测流量的测量装置。弯管流量计主要由弯管传感器、专用仪表或DCS系统、差压变送器及一些管道阀门组件组成，当流量测量需温度压力补偿时，还应配备压力变送器、温度变送器、温度传感器。

流量计特点

●测量准确度高、重复性好：弯管流量计系统测量精度高达0.5~1.5级，重复性准确度则高达0.2%。

●无附加压力损失：弯管传感器没有任何插入件或节流件，因此在测量流量过程中不会对被测流体造成附加压力损失，可节省流体输送的动力消耗，节约能源。

●适应性强：弯管传感器可在高温、高压、粉尘、振动、潮湿及其它恶劣环境中正常使用。

●量程范围宽：流速测量范围：液体介质为0.2～12米/秒, 蒸汽或气体介质为5～160米/秒的。管径范围： φ10～φ2000mm。

●直管段要求不严格：直管段前五（5D）后二（2D）即可充分满足使用要求。

●使用寿命长：弯管传感器耐温、耐压、耐腐蚀、耐磨损、耐振动性能好，并对微量磨损不敏感。传感器经特殊加工处理后寿命至少与管道寿命相同。

●安装方便、耐磨损、免维护：由于弯管传感器对磨损不敏感，所以可以直接焊接安装在管道上，一次焊接完成后再也不存在泄漏等令人头痛的问题，不需维护。

主机特点

●多回路、多参数显示

●先进的触摸式按键,外形和结构设计新颖，操作方便

●掉电保护功能，保护掉电后重要数据不丢失

●完备的实时运算补偿和数字滤波功能，提高了系统测量精度和稳定性。

●智能逻辑判断和自诊断功能

●RS－232（或485）串行接口输出，可直接与其他仪表或计算机系统通讯联网，满足用户和外部设备之间的实时通讯，或者外部控制、打印功能。

●标准（4－20mA）模拟量输出（可以根据用户需要选择）

●热量累计功能，可用于测量水蒸气、供暖热水的累计热量

●时钟功能，不受主机电源影响，能为用户提供准确的时间

●体积小、低功耗、运行稳定、测量精度高

应用范围

弯管流量计以其突出的节能效果、高稳定性、高准确性、高适应性，在热力、热电、冶金、石化行业的蒸汽、煤气、天然气、冷热水、油、空气、乙炔、硫化氢、二氧化碳两相流等介质测量中迅速推广，2012年产品覆盖全国28个省，并且已进入到国外市场，总计用量已达20000多台套。

工作原理

弯管流量计同属于差压式流量计的范畴，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。

弯管流量计的研制成功，具有坚实的理论研究基础和实验研究基础。在理论研究方面主要是通过直接求解流体流过弯管的微分方程数值解的方法，全面揭示流体流经弯管的流动规律。在实验研究方面既有实验室的大量实验研究，又有在国家流量检定站（开封水大流量、烟台蒸汽、华阳天然气）对不同介质的流量测量的权威验证。理论研究和大量的实验研究表明：由于弯管的导流作用，流经弯管的流体呈现了非常复杂的流动状态。通过求取纳维——斯托克斯微分方程（N—S方程）数值解，可以动画显示出这种流动状态主要包括沿主管道方向的主流动、垂直于主流动的双螺旋二次流动及出口漩涡等主体内容，具有很强的规律性。根据对真实粘性流体通过弯管内、外侧压力差成正比例关系，具有很好的相关性。根据量纲分析原理，流过弯管的平均流速与弯管内、外侧的压力差可由下式给出：

流体在某一温度某一压力的条件下流过一个管道，当其流经转弯时，该流体将做相应的圆周旋转运动。根据流体强制旋流理论，流体在管道内作圆周运动与固体在空间状态下作圆周运动类似，因此流体必然会产生惯性离心力，该离心力的大小与流体的流速、流体的密度以及作圆周运动的曲率半径（也就是弯管传感器的曲率半径）等因素有关。

由于弯管传感器曲率半径是已知的，流过弯管传感器的流体密度又可通过对流体的温度、压力等参数的测定利用主机的计算机准确地求得，因此在弯管传感器上产生的离心力的大小就只是流体流速的函数。只要测出离心力的大小，就可测出流体在管道内的流速，将流速乘以管道的截面积和流体的密度，流体的流量即可计算确定。其计算关系如下：

式①给出了流过弯管流体的平均流速和差压值的函数表达式：

V=a[（P1-P2）/ρ]β--------①

其中：V－－－流体的平均流速；

a－－－综合流量系数，a=f（弯管弯径比、雷诺数、介质动力粘度、管道粗糙度等），其中尤以弯径比的影响最为重要:

P1-P2-----弯管内、外侧压力差；

ρ－－－－流体的密度；

β－－－－指数；

计算出平均流速V,就可得出计算流量的函数表达式:

Q=S*V*ρ-----------②

式中：

S－－－－弯管横截面积；

V－－－流体的平均流速；适用范围

1、公称直径：25mm≤DN≤2000mm

2、公称压力：PN≤10MPa

3、介质温度：t≤450℃(t＞450℃订货时通知)

4、雷诺数范围：ReD＞104

5、精度等级：1级，1.5级

6、 R/D≥1.25

结构形式

弯管流量计的一次传感元件——弯管传感器依安装管线上的不同分为如下三种：

l &90°弯管传感器——用于工艺管线90°转弯连接处，替代原弯头

l &180°弯管传感器——用于直管线上，替代部分直管段

l &135°弯管传感器——用于工艺管线135°转弯连接处，替代原弯头

基本特点

全

测量介质全，包括液体、蒸汽、气体等。液体包括热水、冷水、油、液氨以及其它液体；蒸汽包括过热蒸气、饱和蒸气；气体包括高炉煤气、焦炉煤气、氧气、空气、天然气、乙炔、硫化氢等等。

宽

管径范围宽：DN10——DN2000mm；

温度范围宽：-50℃ ——600 ℃；

压力范围宽：0——32MPa；

安装范围宽：管道转弯处和直管道上均能安装，管道的转弯处用90°标准传感器，直管道上用“V”型传感器；

量程比宽： 10：1；能满足双向测流；

流速范围宽：适用于管道内流速为0.2～12米/秒(液体介质)和5～160米/秒(气体介质包括蒸汽)的流体流量测量，且都能满足测量准确度的要求；

适用条件宽：弯管传感器可在高温、高压、粉尘、振动、潮湿及其它环境恶劣，安装条件极差的现场中正常使用，如果采用耐腐蚀材料(如：不锈钢、工程塑料、玻璃、陶瓷等)制造的弯管传感器也可测量各种腐蚀性介质的流量。

短

直管段要求短，前五(5D)后二(2D)倍管径长的直管段就能满足其对直管段的要求，从而方便了这种流量计在工业现场的推广应用。

省

弯管传感器没有任何插入件和节流件，因此在测量流量过程中不会对被测流体产生附加压力损失，可节省流体输送的动力消耗，降低运行费用。

只要用弯管传感器代替原来管道上的弯头即可进行流量测量，传感器寿命和管道寿命相同。

安装运行后几乎没有维护工作量。

准

系统测量准确度：0.5～1.5级。

稳

重复性精度为0.2%。长期运行性能不变。由于弯管传感器一次安装之后，不再需要重复拆装，因此其安装精度也能得到很好的保证。

发展现状

弯管传感器

弯管流量计的精度完全依靠弯管传感器的几何结构尺寸的精确，第四代整体数控机加工弯管传感器是由数控机床特高精度加工的垂直度、水平度、均匀度、光滑度等几何参数极其精确的弯管传感器，保证了弯管传感器加工的一致性，使每一台弯管传感器的精度精确稳定，普通机械冷弯或者热弯的一般形状的弯头很难达到弯管传感器对于弯管的基本要求，所以从2005年6月已经开始停止销售小规格非机加工普通弯头形状的弯管流量计。

二次仪表

专门为弯管传感器开发配套的二次仪表（数学模型）是弯管流量计的核心技术，他把安装状态、湿度补偿、雷诺数的影响、富鲁德数的影响、马赫数的影响、弯管传感器的弯径比、取压孔位置、内壁粗糙度等几何特征量的影响、热态管径的补偿、温压补偿等各变量因素都考虑到其中，尤其是密度的计算，采用IFC公式直接计算，精度高，而不象通用仪表采用查表插值的方法，精度较低。选用普通通用的孔板仪表改造是不可能计算出准确数据的。

继续研发

弯管流量计技术在世界上我国处于绝对领先地位，河北理工大学建立了DN800国家级水流量检定站，由博士后、博士、硕士研究生等高级专业人才组成的研发中心承担着弯管流量计的理论研究和长江三峡、核电等国家重点项目的计算工作，数台尖端的高性能专业计算机昼夜运作，大量的科研数据和成果指引着弯管流量计事业健康快速的发展。

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