环形管流量计是20世纪80年代人们提出的差压式流量计，可以说它是弯管流量计的一种特例。一直以来，人们总认为比较弯管流量计，环形管流量计具有精确度高，流量系数稳定，离散性小等特点[1]。但实际上对环形管流量计有很多严格限制，稳定的流量系数试验式只有在规定的测压孔位置、直径，满足要求的进出口直管段长度等条件下才能得到[1~3]。本文中，我们设计了一个多圈环形管流量计，在4个不同位置测量差压，多次重复试验得到了同一流量下各个测点的实验数据和流量系数。结果表明，环形管流量计的差压输出随着测点位置的不同有很大的差异，流量系数也有不同的变化趋势， 这不能不引起设计和使用者的注意。
1 环形管流量计的结构
我们设计的多圈环形管流量计是一个两圈环形管，管道内径D为50mm，环形管半径R为250mm。环形管结构如图1和图2所示。
在环形管水平直径方向设置两对差压取压口，距流体进口270°的下降段和450°的上升段各取一差压信号，如图1中的ΔP1、ΔP2。取压口位于环形管内外侧同一水平高度，由信号管与差压变速器相连。
环形管进出口环的上端截面（如图1中A-A截面）和下端截面（如图1中B-B截面）处开设取压口，分别测量环形管进口上升段的差压ΔP3和出口下降段的差压ΔP4，具体位置如图2所示。
2 不同测点位置的流量信号比较
将环形管安装在水流量试验装置上，4个差压取压口分别接上4个U形管差压计，测压液体为四氯化碳，密度为1595kg/m3。试验流量范围为3.5m3/h到45m3/h。由于采用U形管差压计，ΔP3和ΔP4由于两取压口高度差引起的差压不会在差压计中显示。ΔP3和ΔP1的差压显示值都是流体流动造成的信号差压。
为了使实验结果更加可信，我们在试验流量范围内反复做了十多次试验，获得了大量数据.表1所示为其中一组实验数据.在每一流量下测得4个信号差压值ΔP1~ΔP4，根据式（1）处理得流量系数α1~α4。
（1）
表1 环形管不同测点实验数据
qv
（m3/h）
ΔP1
（Pa）
α1
ΔP2
（Pa）
α2
ΔP3
（Pa）
α3
ΔP4
（Pa）
α4
3.44
23.4
1.4224
35.1
1.1614
70.2
0.8213
70.2
0.8213
7.50
116.9
1.3869
152.0
1.2164
309.9
0.8520
292.3
0.8772
11.46
263.1
1.4128
339.1
1.2445
689.9
0.8725
619.8
0.9205
15.76
502.8
1.4054
637.3
1.2484
1268.7
0.8848
1110.9
0.9456
19.35
783.5
1.3824
941.3
1.2612
1818.3
0.9074
1625.4
0.9598
23.57
1181.0
1.3715
1368.1
1.2743
2631.0
0.9189
2303.6
0.9820
27.63
1607.9
1.3779
1835.9
1.2895
3589.9
0.9222
3063.7
0.9982
30.90
1947.0
1.4004
2280.2
1.2940
4390.9
0.9325
3765.3
1.0070
34.80
2420.6
1.4144
2847.4
1.3041
5472.6
0.947
4642.3
1.0214
39.20
3180.6
1.3899
3578.2
1.3104
44.89
4180.4
1.3884
4654.0
1.3158
平均值
1.3957
1.2655
0.8947
0.9481
方差
0.0002
0.0020
0.0014
0.0038
实验结果表明，根据第一取压口的信号差压得到的流量系数α1具有最小的方差，不作任何修正，α1的变化也在±1.9%的范围内；α2~α4虽然方差较大，但它们的变化趋势都是随流量的增大而逐渐增加，所以，应该可以方便地得到修正。
在3.5m3/h到45m3/h的试验流量范围做11个流量点，每点10次重复试验所得到的流量系数结果如图3所示。从图3中可以看出，除最小流量3.5m3/h这一点外，其它流量点上流量系数α均具有较好的一致性。
分析原始数据发现，最小流量点上流量系数之所以离散性较大，是因为该流量点由于流量小，差压也非常小，液柱高度只有3~5mm，而采用U形管差压计的读数误差有时就可达1mm。在这种情况下，该点数据的可信度就变得很差。根据误差处理的规则，该流量点的数据应该舍弃。
舍弃最小流量点3.5m3/h的数据后，在流量范围为7.5m3/h到45m3/h的试验段内，10个流量点多次重复试验的流量系数结果以及线性拟合曲线如图4所示。
α1基本上为一水平的直线，其平均值为1.3982，最大值为1.4535，最小值为1.3576，最大最小的平均值为1.4056，不作任何修正，α1的变化在±3.5%的范围内；α2基本上随流量呈线性变化，但流量系数的值与α1已有明显的差别。虽然取压口1和取压口2在环形管上处于对称位置，但同样的流量在取压口2造成的信号差压将明显偏大；α3和α4的变化趋势可用线性或二次曲线进行拟合，它们之间的差别代表进口180°弯管与出口180°弯管造成的差压，同样存在明显的差异。
3 结果处理与误差分析
从图4的流量系数曲线可以看出，除α1外，α2~α4的流量系数分布基本上在在一条直线附近，根据图4的流量系数拟合公式，我们可以根据式（1）计算出多次重复试验中每一试验点的流量测量误差。对于每一试验点都有一组数据qv和ΔPi（i=1，2，3，4）值，而对于每一差压测量值ΔPi，在已知流量系数α时，其流量可根据式（1）计算
（2）
式中，αi（qv）为随流量变化的与ΔPi对应的流量系数。
将各计算流量qvi与实际试验流量qv比较可得所有测点的误差分布如图5所示。
从图5可以看出，取压口1得到的信号差压表示流量的误差较大，在100个测量点中有7个点超过±2%；而取压口2由于其流量系数基本上随流量成线性关系，可以得到较好地修正，除个别测点外（小流量7.5m3/h附近5个数据），其它测点误差都在±1%以内；取压口3和取压口4得到的流量系数存在一定非线性（如图4所示），用线性拟合公式得到的误差分布E3和E4要比E2差，E3约有10个测点的数据超过±1%，最大误差为1.76%（1个点），E4更有20个测点的数据超过±1%，最大误差达3.46%（1个点，在小流量7.5m3/h上）。
如果考虑到取压口3和取压口4的非线性特性，用式（3）所示的幂函数表示，得到的误差分布如图5中E′3和E′4所示。E′3除1个点为1.28%外，其它都在±1%以内；E′4也只有3个点超过±1%，最大误差1.76%。
α3=0.7358qv0.0685
α4=0.7250qv0.0957 （3）
4 结论
（1）环形管流量计不同测点位置得到的流量系数及其变化趋势都有明显差异，因此，在使用中如何选取测点位置或如何综合各测点数据非常重要。
（2）以上分析在流量范围为7.5m3/h到45m3/h在范围内，测量范围度已达6倍多。已大于一般的差压式流量计。如果限制在一般差压式流量计的3倍测量范围度，则环形管流量计的测量精度还可以提高。
（3）以上数据仅是单相介质（水）的试验结果，差压值为U形管差压计的人工读取值，多个测点结果的读取时间存在差异，这对稳定的单相水流量试验应该是可信的。对多相介质的流量试验，由于读取的原始数据将更多，应该采用自动采集试验数据的方式。
[参考文献]
[1] 秦绪斌.环形管流量的流量系数[J].自动化仪表，1992，13（10）：19-22.
[2] 梁国伟，蔡武昌.流量测量技术与仪表[M].北京：机械工业出版社，2002.
[3] 郑建光，梁国伟，程远贵.弯管流量计特性的实验研究[J].中国计量学院学报，1999，10（2）：39-44.
[4] 梁国伟.差压式流量计测量误差的经验估计[J].计量技术.2000（5）：23-25.
