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浮子流量計的設計與應用
發布時間:2019-07-11

摘要:從浮子流量計的結構原理、應用特點、刻度轉換幾個方面介紹了浮子流量計的設計過程和應用。通過案例應用詳細闡述了如何進行液體介質標定刻度瞬時流量值與工況瞬時流量值之間的轉換計算,氣體介質如何實現標況瞬時流量與工況瞬時流量的4種換算計算,將浮子流量計的應用系統化、公式化,便于廠家設計參考和工程應用計算。
  浮子流量計具有結構簡單、制造容易、流量示值直觀、易于維護和壓力損失小的優點,在工業現場得到廣泛的應用。中國計量科學研究院早期起草了《玻璃轉子流量計檢定規程》和《金屬管轉子流量計檢定規程》,后期又合并為《轉子流量計》,而最新的檢定規程是《JJG257-2007浮子流量計》。浮子流量計一般工作壓力不大于0.6MPa,分為:玻璃浮子流量計,金屬管浮子流量計和特種浮子流量計(如醫用氧量調量)。浮子流量計可作為瞬時流量計,水、氣、油均可以設計選用,可用作標準流量計、用作流量試驗裝置指示流量、過程控制、泄露量監控、流體能力指示,用作可視閥門[1]。
1結構和原理
1.1流量計算
  浮子流量計的測量本體由一根自下向上擴大的垂直錐管和一只可以沿著錐管軸向自由移動的浮子組成,當被測流體自錐管下端流入流量計時,由于流體的作用,浮子上下端面產生一差壓,該差壓即為浮子的上升力。當差壓值大于浸在流體中浮子的重量時,浮子開始上升。隨著浮子的上升,浮子最大外徑與錐管之間的環形面積逐漸增大,流體的流速則相應下降,作用在浮子上的上升力逐漸減小,直至上升力等于浸在流體中的浮子的重量時,浮子便穩定在某一高度上。這時浮子在錐管中的高度h與所通過的流量qv有對應的關系[2]。結構如圖1所示。
浮子流量計結構圖
  式中,v為流體通過環隙面積的平均流速,C為阻力系數(常數),Vf為浮子的體積,ρf為浮子的材料密度,ρ為流體介質的密度,g為重力加速度,Af為浮子的迎流面積。由公式可得,不管浮子流量計的浮子停留在什么位置,流體流過環隙面積的平均流速v值是沒有變化的。A是環隙面積大小,也就是說瞬時體積流量qv的大小,只與A環隙面積大小有關,瞬時流量越大,環隙面積越大,浮子位置越高;反之瞬時流量越小,環隙面積越小,浮子位置越低[3-4]。

  式中α為流量系數,φ為錐管夾角,K為常數。當被測介質確定以后,即介質密度為常數,瞬時體積流量與浮子的高度之間成線性關系。而大量的實驗表明,浮子流量計的流量系數α與浮子的幾何形狀和流動雷諾數ReD有關:對于一定的浮子形狀,當雷諾數ReD大于某一個臨界數以后,流量系數α將趨于一個常數:有些資料中提及,如果錐半角足夠小,則可忽略二次項進行簡化計算,這種方法是不嚴謹的,計算誤差大于10%,遠遠超出了誤差范圍[5-6]。
浮子流量計結構和計算示意圖
1.2出廠標定
  對于不同的流體,介質密度不同,瞬時流量與浮子高度之間的對應關系也不盡相同,原來的流量刻度就不再適用,所以浮子流量計應該用實際的流體介質進行標定。但是,對于生產廠家而言,由于出廠標定設備的局限性,不可能有各種實際流體機制的標準裝置對浮子流量計進行標定,在一般情況下,大部分生產廠家只能用水或者空氣進行標定。因此,如果浮子流量計用來測量非標定介質時,應該對浮子流量計的讀數進行修正,即刻度換算。
1.3量程換算
  當浮子流量計的浮子幾何形狀一致時,改變浮子的材料,就可以改變浮子的密度,即改變浮子流量計的量程。浮子材料的密度增加,浮子流量計的量程擴大;密度減小,則量程縮小。如果浮子流量計現場應用和出廠標定的浮子材料不同時,則還需要引入浮子密度的流量修正值,當然這種情況比較少見,一般出廠時,流量計浮子與錐管都已經確定。
2應用特點
  最簡單的浮子流量計由浮子和錐管兩個部件組成,數十元的制造成本,有些使用場合甚至可以免維護,可用于低雷諾數的測量場合,適用于小管徑和低流速。壓力損失小,對上游直管段要求比較低,有較寬的流量范圍,量程比一般為10∶1,雙浮子結構的量程比甚至可以達到50∶1。玻璃管浮子流量計顯示的流量值多是直接刻印在透明玻璃外表面上,目測浮子停留位置即可,而金屬管浮子流量計往往測量高溫、高壓、危險性流體,不能用人眼來觀察浮子位置,采用了磁感應顯示機構。
3刻度換算
3.1液體刻度換算

  當現場介質與標定介質粘度相差比較大時,則需要進行現場標定,而不能認為α標=α現。不管是同一種液體還是不同種液體的現場流量和標定流量換算,都可以應用上述計算公式[7]。
3.2氣體刻度換算
  氣體浮子流量計,廠家一般用標況狀態下的空氣(20℃,101.325kPa)檢定,由于氣體受工況溫度、壓力影響比較大,不僅僅是現場介質與標定介質不同需要轉換,同一種氣體在工況和標況之間也需要轉換。由于浮子自身的密度要比氣體大很多,所以可以近似認為ρf-ρ現=ρf-ρ標,這樣公式可以推導出針對氣體浮子流量計的簡化版:
1)同一種氣體

  這樣已知標定氣體的標況瞬時流量就可以求出該氣體的工況瞬時流量值。該氣體的標況瞬時流量直接看標定好的刻度線,氣體的工況瞬時流量通過上述公式計算后得到。
2)不同氣體

c)這樣已知氣體1的工況瞬時流量就可以求出氣體2的標況瞬時流量值。
拓展推導容易得出:

d)這樣已知氣體1的標況瞬時流量就可以求出氣體2的標況瞬時流量值。
上述一共有4種計算公式:
氣體1工況求氣體2工況;
氣體1標況求氣體2工況(常用);
氣體1工況求氣體2標況;
氣體1標況求氣體2標況(常用)。
  不難看出,不同氣體的4個經驗公式中,如果稍作轉換,就是同一種氣體的計算公式。由于浮子流量計刻度值都是標況刻度值,因此上述4個公式中有2個較為常用[8-10]。
4計算實例
命題1:刻度為空氣的一臺氣體浮子流量計測量氧氣,假設工況溫度和壓力與刻度狀態相同,求浮子流量計示值穩定在30m3/h刻度時,氧氣的工況瞬時流量為多少?
分析可得,命題是氣體1的標況體積流量求氣體2的工況體積流量值,因此應用如下公式:

命題3:一臺用水標定的液體浮子流量計,測量硝酸,不考慮粘度對液體流量的影響,計算浮子流量計浮子穩定在2000L/h時硝酸的體積流量為多少?已知浮子材料為不銹鋼,密度7920m3/h,檢定介質水密度998.2m3/h,被測介質硝酸密度1512m3/h。

3結論
  從浮子流量計的結構原理、應用特點、刻度轉換三個方面介紹了浮子流量計的設計過程和應用。詳細闡述了如何進行液體和氣體介質的換算計算,將浮子流量計的應用系統化,公式化。

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