弯管流量计适用性的研究
研发部 TJX
一、 前言
自1910年美国申请第一份弯管流量计的专利到现在已经有九十多年了，但一直处于半停滞状态，至少在国内是如此。直到上世纪八十年代出国内的一些专业刊物上陆续发表了此类最新相关文章，它们多出自院校的专家和在企业一线工作的学者之手，文章代表了以近年来快速发展的机械加工工艺和微电子软硬件技术为基础的弯管流量测量的最新科研成果，部分已进入商品化实用阶段。我公司也在做这方面的工作，并取得相当的成果。
二、弯管流量计的基本原理
标准弯管传感器的基本结构：是一个具有一定几何形状和几何尺寸的九十度弯头。
当具有一定质量（密度）和一定速度的介质通过弯管时遵循强制漩流理论，在传感器的内外两侧会产生一个差压值。 该差压值的大小与介质的流速之间存在着一定的关系。
三、 弯管流量计基本计算公式
根据物体作圆周运动的规律，我们取弯管中任意一个质点进行受力分析，基础是流体的质点作类似圆周运动时遵循这样的基本公式：F = mv2/R；为了求出整个截面上所产生的离心力之和，可对该受力公式进行积分处理，积分范围确定在(R-r)～(R+r)之间。如果我们将力F用弯管产生的差压值ΔP来代表，质量m用介质的密度ρ来代表，速度v认为就是通过弯管传感器的平均速度值，R是弯管的中心曲率半径，r是弯管内圆的半径，d是弯管内圆的直径。我们就可以获得如下的公式：v =α（R/d）0.5（ΔP/ρ）0.5。这个公式就是弯管流量计的基本计算公式。其中α是综合修正系数，可以通过实验获得。
这里有一个十分重要的结论需要说明一下，我们研究弯管传感器中流体产生离心力时应用的公式是一般的圆周运动的基本公式，F = mv2/R。其中R值是表示作圆周运动物体重心到旋转中心的距离。对于弯管来说R值似乎就是弯管的中心曲率半径。但是，我们推导得出的计算公式中并不是简单的R值，而是R/d，R/d被称为弯管的弯径比，它是描述弯管弯曲程度的特征参数。
在我们提供的弯管流量计计算公式中，除了弯管弯径比是重要参数之外，我们还提出了综合流量系数的概念。也就是说，我们用实验来验证推导公式的准确性时发现，如果不引入所谓的综合流量系数对流量测量结果进行必要的修正，则实际流量显示值与理论值之间有一个明显的差值。是那些因素造成这个差别的呢？
1、管道粗糙度的影响
管道的粗糙程度会影响介质与管壁接触部分边界层的厚度。随着管道粗糙度的增加，管道对于流体边界层流动状态的影响会加强，造成实际流量与理论值之间的差别。
2、流体粘度的影响。
流体粘度对于测量值的影响主要通过雷诺数来体现的，当流体的雷诺数达到或者超过某一个数值时，其流动状态就相对稳定，这时流体的粘度对于流量测量的影响也趋于稳定，它对流量系数的修正属于定值修正的范畴。
3、可压缩性
流体的可压缩性也会改变流体的流动状态，它的影响程度取决于流量测量装置的工作原理和流量装置对于流体流动状态干扰的程度，但程度比孔板要小得多，介质可压缩性的影响相对就比较小。
4、二次流
所谓二次流是指处于弯管传感器中的流体由于内外侧有差压存在，在差压的作用下流体会产生与总流向的方向不一致的附加二次流，二次流的存在对于流量系数的确立当然会产生影响。不过，由于弯管传感器在一般条件下产生的差压值并不大，由此产生的二次流与流体在弯管传感器中的流速比较是非常小的，不足以对弯管流量计的正常工作造成威胁。
5、弯管传感器内侧壁附近流体流动的不稳定性扰流
流体是由于弯管的约束被迫作类似的圆周运动的，对于处于外侧壁附近的流体而言，它们直接与管壁接触，管壁对它们施加的向心力可以均匀地分布在流体上，内侧壁附近流体流动的不稳定性对于测量结果会有较大的影响。（我们的相关实验完全证实了这个结论。）这是影响弯管流量计理论推导和实际测量之间产生误差的主要原因。
6、弯管传感器还需要通过几何放大和动力相似学等方面的论证，这里因篇幅有限暂不做讨论。
