直角式智能弯管流量计的实验研究及开发

　　0　引言

　　节流件压差流量计由于结构简单、使用方便,在各个工业部门得到了广泛应用。在整个工业生产领域约占流量仪表总数的一半以上。所要研究的流量计是一种全新的节流式流量计,结构上采用了90°弯头的形式。根据直角弯头压力损失与流量的函数关系,来反应流量的大小。弯头中流速分布较为复杂,流量系数难以拟合出较准确的公式[4]。但随着单片机技术的应用,可以较好地解决这个问题。与现在市场上流行的流量计相比较,其结构简单,无可动部件,有着很高的性能价格比。

　　1　流体在弯头中的伯努利方程

　　流体在弯头中流动有一个特点:主流上叠加着次流。由于次流的存在,使得弯头中的流态明显不同于直管。在流体进入弯头前,由于弯头对流体的阻力,造成部分流体局部停滞,使得外壁面的压力较之上游压力有很大提升。通过弯头后,由于压力损失,流体压力降低并逐渐稳定,恢复到一个低于原入口处压力的值。在一定流体参数情况(管径D,上下游直管长度)下[5],此直角弯头压力变化与流量有一定关系[2]。因此,可通过测量直角弯头压力变化来实现流量测量。如图1所示,在图1中取截面A-A、B-B,以此两截面间的流体为控制体,弯管截面积保持不变。

　　图1　流量弯头原理图

　　Fig. 1　Principle of the flow elbow

　　列出截面A-A和B-B伯努利方程,可得:

　　式中:ρ为流体平均密度;p1、p2为取压处的平均压力;v1、v2均为截面上的平均速度,取v1=v2=v;hw′为流经弯头的阻力损失部分。

　　阻力损失部分的计算公式如下[3]:

　　式中:ζ为阻力系数,一般由实验求得。

　　结合以上两式,并考虑实际压力分布不均以及取压位置的差异,引入取压系数β可得:

　　式中:ζ,β难以单独测量,故将其合并为一个流量系数α,取α=2βζg。α是一个与节流件形式,取压方式,被测介质性质及流动状态等因素有关的系数,很难由理论推导,只能由实验确定[3]。

　　不可压缩流体流量方程可以写为:

　　2　试验设计及数据处理

　　为了研究气体流动状态、一些参数对流量系数的影响以及流量与压差的关系,设计了如下实验,实验装置如图2所示。

　　图2　实验装置图

　　Fig. 2　Experimental device

　　对流量弯头进行了大量实验,获得了近千个数据,经过整理,画出了各种实验曲线。

　　图3(a)、图3(b)为D=2mm的流量弯头中,流量范围分别为16~160L/h及160~600L/h时,流量Q和ΔP的关系图。