彎管流量計(jì)的工作原理
彎管流量計(jì)與傳統(tǒng)的孔板流量計(jì)一樣同屬于差壓式流量計(jì)的范疇,只是產(chǎn)生差壓的方式與孔板流量計(jì)不同,孔板是利用流體的縮放原理產(chǎn)生差壓的,而彎管傳感器是利用流體的慣性原理產(chǎn)生差壓的。當(dāng)流體通過(guò)彎管時(shí),由于受彎管的約束流體被迫作類(lèi)似的圓周運(yùn)動(dòng),流體在作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的離心力作用于彎管的內(nèi)外兩側(cè),使彎管傳感器內(nèi)外兩側(cè)之間產(chǎn)生一個(gè)壓力差,該壓力差(也就是壓差值)的大小與流體的密度有關(guān),與流體的平均流速有關(guān),與流體作圓周運(yùn)動(dòng)的曲率半徑有關(guān)。他們之間遵循作圓周運(yùn)動(dòng)物體都必須遵循的牛頓運(yùn)動(dòng)定律的有關(guān)規(guī)律。
F=m(V2/R)
其中:F—流體對(duì)彎管施加的離心力;
V—流體值彎管中的平均流速;
R—彎管中心曲率半徑;
我們對(duì)上述公式進(jìn)行整合、積分處理之后,zui終獲得如下關(guān)系式:
V=α(R/d)1/2(ΔP/ρ)1/2
其中:V—介質(zhì)中彎管傳感器中的平均流速;
R/d—彎管傳感器的彎徑比;
ΔP—流體通過(guò)彎管傳感器時(shí)產(chǎn)生的差壓值;
ρ—介質(zhì)的密度;
這個(gè)公式就是的基本公式,它描述了介質(zhì)在彎管傳感器中流動(dòng)時(shí),介質(zhì)對(duì)彎管施加的離心力與介質(zhì)的密度,介質(zhì)的平均流速以及彎管的重要幾何尺寸彎徑比之間的關(guān)系。這里提到的彎徑比就是彎管的中心曲率半徑與彎管內(nèi)徑的比值,它是描述彎管幾何特征的重要參數(shù)。彎徑比的大小準(zhǔn)確地描述了彎管的彎曲程度,隨著彎管彎徑比的增加,彎管的彎曲程度將減小。它在流量公式中的作用于孔板流量計(jì)中的開(kāi)孔率β值十分相似(β=d/D),隨著β值的變化可以改變流體通過(guò)孔板時(shí)的縮流效果,從而可以在相同的流量條件下獲得不同的差壓值。同樣,改變彎管傳感器的彎徑比可以改變流體作圓周運(yùn)動(dòng)的曲率,從而使同樣的介質(zhì)流量獲得不同的離心力(也就是彎管傳感器顯示的差壓值),當(dāng)然改變彎管彎徑比遠(yuǎn)比改變孔板的開(kāi)孔率要困難得多。
大量的實(shí)驗(yàn)證明,我們推導(dǎo)所得的數(shù)學(xué)公式*符合實(shí)際的結(jié)果,只要介質(zhì)在彎管傳感器中流動(dòng)的zui小雷諾數(shù)達(dá)到一個(gè)極低值以上,的流量系數(shù)α就是一個(gè)定值,這個(gè)結(jié)論與孔板流量計(jì)也是十分相似的。
三、“重現(xiàn)性精度很好,而測(cè)量精度不高”結(jié)論的可信程度
為什么那么多的前輩們?cè)谡劦綍r(shí)雖然承認(rèn)他們的重現(xiàn)性精度很高,但是,同時(shí)總是認(rèn)為它的測(cè)量精度不高,搞清楚這些問(wèn)題對(duì)于的推廣應(yīng)用有著十分重要的作用,也許下面的分析會(huì)給我們一個(gè)比較公正的答案。
彎管傳感器的結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單,它就是一個(gè)具有確定幾何尺寸的彎頭,流體通過(guò)彎頭產(chǎn)生離心力使彎頭的內(nèi)外兩側(cè)產(chǎn)生一個(gè)壓力差,這個(gè)轉(zhuǎn)換原理十分清楚、準(zhǔn)確。在彎管傳感器工作過(guò)程中只要能夠重復(fù)流體流過(guò)彎管傳感器的條件和狀態(tài),彎管傳感器必然會(huì)產(chǎn)生不變的差壓信號(hào),因此它的重現(xiàn)性精度好的結(jié)論是自然成立的。
說(shuō)到測(cè)量精度不高的結(jié)論時(shí),我們不能超越當(dāng)時(shí)的歷史條件和技術(shù)水平來(lái)討論。雖然彎管傳感器的結(jié)構(gòu)是特別簡(jiǎn)單,但是,在當(dāng)時(shí)的歷史條件下要想獲得高質(zhì)量的彎管并不容易(我們這里所說(shuō)的高質(zhì)量彎管包括:彎管的垂直度、水平度、扭曲度、不圓度、均勻度等等,其中彎管的圓度和均勻度對(duì)于加工成彎管傳感器特別重要,手工或者簡(jiǎn)單機(jī)械的冷彎或者熱彎都很難達(dá)到彎管傳感器對(duì)于彎管的基本要求。
其二,與孔板流量計(jì)一樣,也是屬于差壓式流量計(jì)的范疇,在選擇配套的差壓變送器量程范圍時(shí)我們都希望其差壓范圍大一些比較好,這將有利于保證系統(tǒng)測(cè)量精度的提高。孔板流量計(jì)可以利用選擇不同的開(kāi)孔率β值的方法,使差壓變送器的量程范圍取得高一些,當(dāng)然,這樣的選擇是需要付出代價(jià)的,其代價(jià)是使介質(zhì)流動(dòng)阻力損失大大加大,對(duì)于那些大流量、大管徑的情況下會(huì)大大增加系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。
則不然,雖然彎管傳感器彎徑比的縮小有利于提高產(chǎn)生的差壓值,但是,這種提高是十分有限的,在實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生的差壓值應(yīng)該說(shuō)是相對(duì)比較小的,在當(dāng)時(shí)的條件下,差壓計(jì)的生產(chǎn)技術(shù)是比較落后的,它的精度等級(jí)、穩(wěn)定性、零位漂移等等技術(shù)指標(biāo)都不十分理想。對(duì)于低差壓,甚至微差壓的測(cè)量要求則更加困難。這樣的配套儀表就不能保證能夠獲得高質(zhì)量的測(cè)量精度。
第三,當(dāng)時(shí)的二次儀表的生產(chǎn)技術(shù)也是十分落后,當(dāng)時(shí)的指針式二次表除了本身的精度不高之外,其他的功能更是無(wú)從談起,因此,在當(dāng)時(shí)測(cè)量流量的二次儀表連zui基本的開(kāi)方運(yùn)算也無(wú)法完成,只好將流量標(biāo)尺作出非線(xiàn)性的形式。
以上三條是限制獲得好的測(cè)量結(jié)果的主要原因。當(dāng)然,人們對(duì)于流量系數(shù)的確定,數(shù)學(xué)模型的建立和正確的應(yīng)用這些科研工作者的主觀(guān)判斷也是十分重要的因素,總之,歷史的、主觀(guān)的、客觀(guān)的種種因素使得眾多專(zhuān)家學(xué)者們得出了測(cè)量精度不高的錯(cuò)誤結(jié)論,使的發(fā)展和應(yīng)用幾乎處于*停止的狀態(tài)。
現(xiàn)在我們?cè)趻侀_(kāi)研究者主觀(guān)因素的條件下,看看前面談到的客觀(guān)影響因素的現(xiàn)實(shí)條件發(fā)生了什么樣的變化。
首先,彎管的加工目前已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)高的水平,*的技術(shù)保證和專(zhuān)業(yè)化的加工設(shè)備使我們獲得具有足夠精度要求的彎管變得十分容易,這就保證了彎管傳感器生產(chǎn)的系列化和規(guī)范化成為可能。
其次,高質(zhì)量差壓變送器的誕生使的配套產(chǎn)品的質(zhì)量有了飛躍的發(fā)展,質(zhì)量非常不錯(cuò)的電容式差壓變送器及智能型差壓變送器的出現(xiàn)和應(yīng)用使過(guò)去傷腦筋的諸如:穩(wěn)定性不好、精度不高、零位漂移不能很好解決等等一系列問(wèn)題得到了*解決。
第三,微電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用使二次儀表獲得了脫胎換骨的新生,測(cè)量蒸汽或者其他氣體時(shí)需要的密度補(bǔ)償;溫度對(duì)于傳感器產(chǎn)生熱膨脹修正和毛病一掃而而在選擇時(shí),通常選擇與原有管道尺寸相同的彎管傳感器來(lái)進(jìn)行流量測(cè)量,如果工藝在管道設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求,那么,介質(zhì)在彎管傳感器中可以產(chǎn)生足夠的差壓值,保證流量測(cè)量系統(tǒng)高質(zhì)量的運(yùn)行。