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
列出截面A-A和B-B伯努利方程，可得：
（1）
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]
（2）
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：
（3）
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：
（4）
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
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和的关系图。
本实验中，由于流量为16～160L/h及160-600L/h时采用了不同的标准流量计，所以在流量为～160L/h附近有一个拐点。另外，由于流量较小时，流量系数不太稳定，所以根据小流量拟合出的直线与流量较大时的拟合斜率上有所差异。如果分段拟合，效果还是相当好的。
由以上数据，可得拟合方程：
经计算，图3（a）中，相关系数R2为0.997。图3（b）中，相关系数R2为0.998。查相关系数表，图3（a）中n=20，m=1，当α=0.01时，Rmin=0.561；图3（b）中，n=12，m=1，当α=0.01时，Rmin=0.708。所以，Q-两变量线性相关在α=0.01时的高水平上仍是高度显著的。
图3（a）与图3（b）中，直线均未通过原点。这是由于作为标准的转子流量计自身误差所致。流量小于16L/h时，需用更加精确的流量计作为标准。
图4为此流量弯头关系图。由图可知，管壁粗糙度，几何加工尺寸及取压孔位置对流量系数都有影响。当流量较小时，流量系数不太稳定。随着流量增大（进入阻力平方区后），Q-α曲线逐渐展平。这是与普通节流流量计Q-α特性相一致的[6]。但本流量计也有其特点。其界限雷诺数远小于标准孔板和标准喷嘴。Re减小至1500时，流量系数仍可视为常数。故可适用于流速低、雷诺数小的场合。
根据图4（a）的实验数据，结合本次实验的具体情况，考虑用1/α–1/Re来拟合数据，得到直线：
（7）
其相关系数为0.972，线性拟合高度显著，可以得到流量系数α：
（8）
在亚声速范围内，空气流经节流口时，Q与成正比，其关系如图5所示。
图5说明了流量较大时（即160～600L•h-1），Q-的关系完全可以线性拟合。R2=0.9854，说明线性化程度较高。
3 电气部分及软件
由于流体的密度ρ是流体温度T和压力P的函数。当流体压力、温度变化时，就会引起密度变化，对于气体，影响就更大。气体密度，尤其是在高温高压下，很难直接测量。因此，必须根据ρ=f（t，p），利用P、T的变化来对密度的变化量进行补偿[1]。
（10）
式中：QM为标准状况下的质量流量；由于温度、粘度、流量变化造成的雷诺数变化，会对流量系数有影响。对于常规仪表来说，补偿这些参数不太可能。智能仪表的引入可以解决这个问题，但需以大量准确的实验数据为基础[7]。
流量计电气设计以89C52为CPU，辅以温度、压力测量电路，信号预处理电路，键盘显示电路，掉电保护电路等，组成了一个完整的多功能智能仪表系统，可完成瞬时、累积流量、温度、压力的测定及显示。原理如图6所示。
图6 电气结构原理图
该流量计由传感器AD590与SLP004D来接收温度信号和压差变化信号，并经OP07放大，得到单片机可接收的信号。每秒钟可采集6次压差变化信号，进行去极值算术平均滤波，得到瞬时流量，每隔3s累积一次流量，就能得到准确的累积流量。利用4×4键盘选择要显示的数字参数。若进一步完善功能，就可设定需预置的常数，可很快适应不同管径、不同流量的场合，具有较强的通用性。
本仪表的监控程序由整机初始化程序、测量主程序、数据显示及传送、键盘扫描等几部分组成。整个程序采用模块化设计，其结构如图7所示。
图7 监控程序结构
4 结束语
以上简要介绍了一种新型的流量仪表差压发生器-流量测量直角弯头。该结构是本着结构简单，运行稳定的原则而设计的，这种节流元件有其明显的特点和优势，如安装简易、无可动部件、压差范围大、分辨率高。其与单片机技术结合后，可实现较大范围内的流量测试并对流量系数的变化进行补偿，为流量测试提供了新的解决方案。
参考文献
[1]周智仁，于子捷.智能流量计的研制[J].工业仪表与自动化装置，1997（1）：23-26.
[2]孙青竹.弯管流量计的现场试验[J].计量技术，1996（8）：21-23.
[3]苏彦勋，盛健.流量计量与测试[M].北京：中国计量出版社，1993：45-49.
[4]孙淮清，王建中.流量、节流装置设计手册[M].北京：化学工业出版社，2000：160-170.
[5]宋建华，李志.弯管传感器弯径比的测量方法[J].计量技术，1997（12）：22-26.
[6]李志，张金锋，周振江，等.弯管流量计的研究[J].计量学报，2003，24（3）：189-192.
[7]刘国耀，胡歙眉.宽量程差压式智能流量计[J].工业仪表与自动化装置，1993（2）：22-27.
