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浮子流量计

 
 
前 言

浮子流量计是以浮子在垂直锥形管中随着流量变化而升降,改变它们之间的流通面积来进行测量的体积流量仪表,又称转子流量计。在美国、日本常称作变面积流量计(Variable Area Flowmeter)或面积流量计。
    浮子流量计原理设想发轫于19世纪60年代,20世纪初出现商品。从应用台数所占比例来看,1985年英国抽样调查72家企业17000台流量仪表中浮子流量计占19.2%。我国浮子流量计产量1996年估计在15万-17万台之间,其中95%左右为玻璃管浮子流量计。

第一节  原理和结构

浮子流量计的流量检测元件是由一根自下向上扩大的垂直锥形管和一个沿着锥管轴上下移动的浮子组所组成。工作原理如图1所示,被测流体从下向上经过锥管1和浮子2形成的环隙3时,浮子上下端产生差压形成浮子上升的力,当浮子所受上升力大于浸在流体中浮子重量时,浮子便上升,环隙面积随之增大,环隙处流体流速立即下降,浮子上下端差压降低,作用于浮子的上升力亦随着减少,直到上升力等于浸在流体中浮子重量时,浮子便稳定在某一高度。浮子在锥管中高度和通过的流量有对应关系。
体积流量Q的基本方程式为


      (1)
当浮子为非实芯中空结构(放负重调整量)时,则
      (2)
式中 α——仪表的流量系数,因浮子形状而异;
ε——被测流体为气体时气体膨胀系数,通常由于此系数校正量很小而被忽略,且通过校验已将它包括在流量系数内,如为液体则ε=1;
△F——流通环形面积,m2
g——当地重力加速度,m/s2
Vf——浮子体积,如有延伸体亦应包括,m3
ρf——浮子材料密度,kg/m3
ρ——被测流体密度,如为气体是在浮子上游横截面上的密度,kg/m3
Ff——浮子工作直径(最大直径)处的横截面积,m2
Gf——浮子质量,kg。
流通环形面积与浮子高度之间的关系如式(3)所示,当结构设计已定,则d、 β为常量。式中有h的二次项,一般不能忽略此非线性关系,只有在圆锥角很小时,才可视为近似线性。
 m2      (3)
式中 d——浮子最大直径(即工作直径),m;
h——浮子从锥管内径等于浮子最大直径处上升高度,m;
β——锥管的圆锥角;
a、b——常数。
口径15-40mm透明锥形管浮子流量计典型结构如图2所示。透明锥形管4用得最普遍是由硼硅玻璃制成,习惯简称玻璃管浮子流量计。流量分度直接刻在锥管4外壁上,也有在锥管旁另装分度标尺。锥管内腔有圆锥体平滑面和带导向棱筋(或平面)两种。浮子在锥管内自由移动,或在锥管棱筋导向下移动,较大口平滑面内壁仪表还有采用导杆导向。
    图3是直角型安装方式金属管浮子流量计典型结构,通常适用于口径15-40mm以上仪表。锥管5和浮子4组成流量检测元件。套管(图3未表示)内有导杆3的延伸部分,通过磁钢耦合等方式,将浮子的位移传给套管外的转换部分。转换部分有就地指示和远传信号输出两大类型。除直角安装方式结构外还有进出口中线与锥管同心的直通型结构,通常用于口径小于10-15mm的仪表。

第二节 优点和缺点

浮子流量计使用于小管径和低流速。常用仪表口径40-50mm以下,最小口径做到1.5-4mm。适用于测量低流速小流量,以液体为例,口径10mm以下玻璃管浮子流量计满度流量的名义管径,流速只在0.2-0.6m/s之间,甚至低于0.1m/s;金属管浮子流量计和口径大于15mm的玻璃管浮子流量计稍高些,流速在0.5-1.5m/s之间。
浮子流量计可用于较低雷诺数,选用粘度不敏感形状的浮子,流通环隙处雷诺数只要大于40或500,雷诺数变化流量系数即保持常数,亦即流体粘度变化不影响流量系数。这数值远低于标准孔板等节流差压式仪表最低雷诺数104-105的要求。
大部分浮子流量计没有上游直管段要求,或者说对上游直管段要求不高。
浮子流量计有较宽的流量范围度,一般为10:1,最低为5:1,最高为25:1。流量检测元件的输出接近于线性。压力损失较低。
玻璃管浮子流量计结构简单,价格低廉。只要在现场指示流量者使用方便,缺点是有玻璃管易碎的风险,尤其是无导向结构浮子用于气体。
金属管浮子流量计无锥管破裂的风险。与玻璃管浮子流量计相比,使用温度和压力范围宽。
大部分结构浮子流量计只能用于自下向上垂直流的管道安装。
浮子流量计应用局限于中小管径,普通全流型浮子流量计不能用于大管径,玻璃管浮子流量计最大口径100mm,金属管浮子流量计为150mm,更大管径只能用分流型仪表。
使用流体和出厂标定流体不同时,要作流量示值修正。液体用浮子流量计通常以水标定,气体用空气标定,如实际使用流体密度、粘度与之不同,流量要偏离原分度值,要作换算修正。

第三节 分 类

时常上定型产品和特殊型仪表从不同角度可作不同分类,如:
按锥形管材料分为透明锥形管和金属锥形管。
按有否远传信号输出分为就地指示型和远传信号输出型,后者又分为电远传和气远传两种。
按被测流体分为液体用、气体用和蒸汽。
按被测流体通过浮子流量计的量分为全流型和分流型。
3.1 按锥形管材料分类类型
(1)透明锥形管浮子流量计
    透明锥形管材料用得最多的是玻璃,无导向结构仪表测量气体时操作不慎,玻璃管易被击碎;还有用透明工程塑料如聚苯乙烯、聚碳酸酯、有机玻璃等制成,具有不易击碎之优点。
(2)金属管锥形管浮子流量计
    与透明锥形管浮子流量计相比,可用于较高的介质温度和压力,且无玻璃管浮子流量计锥管被击碎的潜在危险。图3所示典型结构是锥形管与壳体制成一体结构,也有锥管套入壳体的分离结构,改变流量规格只要调换不同圆锥角的锥管,使用较为灵便。
3.2 按有否远传信号输出分类类型
(1)就地指示型浮子流量计
    有些透明管浮子流量计以就地指示为主,装有接近开关,作流量上下限报警信号输出。
有些就地指示型金属管浮子流量计外形与远传信号输出相同,只是将浮子位移通过磁耦合传出,经连杆凸轮等线性化机构处理后就地指示。
(2)远传信号输出型浮子流量计
    远传信号输出型仪表的转换部分将浮子位移量转换成电流或气压模拟量信号输出,分别成为电远传浮子流量计和气远传浮子流量计。
3.3 按被测流体分类类型
    分为液体用、气体用和蒸汽用3种。
    实际上大部分浮子流量计同一仪表可用于液体也可用于气体,结构上是通用的。只是我国浮子流量计行业标准等(如JB/T 6844-93)规定流量上限Qmax必须符合(1,1.6,2.5,4或6)×10nL/h的要求(n为正负整数或零),为液体(以水为代表)设计的仪表用于气体(以空气为代表)时,不符合上述要求,只能为气体另行设计浮子和锥管,就分成液体和气体两种系列。国外有些制造厂同一仪表并列液、气两种流体的流量范围,当然流量值就不可能都是圆整值;国内有些型号仪表也采用本办法。但是液体用和气体用设计还是有区别的,例如气体仪表浮子设计得较轻,防浮子振荡跳动的阻尼件结构各异等。
    测量蒸汽只能用专门设计的金属管浮子流量计或在标准型仪表上加装附加构件,例如增加带散热片的液体阻尼件,以减少浮子跳动;与指示转换部分连接处隔以散热片。
3.4 按被测流体通过浮子流量计的量分类类型
1)全流型 即被测流体全部流过浮子流量计的仪表
2)分流型 相对于全流型只有部分被测流体流过浮子等流量检测部分。分流型浮子流量计由装载主管道上标准孔板(或均速管)和较小口径浮子流量计组合而成,应用与管径大于50mm的较大流量和只要就地指示的场所,价格低廉。分流型浮子流量计结构上分为分离型和一体型两种。
    一体型仪表将孔板和浮子流量计组装在短管段上,直接装到待测管道,原理与结构示意图如图4所示,安装方便。有适用于水平和垂直管道两种结构,但均只能安装在便于读取仪表示值的场所。主管道管径通常为50-300mm,孔板的孔径比(β)在0.3-0.7之间,差压在0.6-100KPa之间,浮子流量计口径为10-25mm。
    分流型浮子流量计的选用流速可比全流型高,液体流速可达2.5-3m/s,甚至高达4-5m/s。由于分流管中置有限流小孔板,起到补偿主孔板流量和差压间平方根非线性关系,流量示值基本是线性的,有较宽的范围度,一般为10:1。精确度为2.5%-4%FS。

 

 
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