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浮子流量计的设计与应用
发布时间:2019-07-11

摘要:从浮子流量计的结构原理、应用特点、刻度转换几个方面介绍了浮子流量计的设计过程和应用。通过案例应用详细阐述了如何进行液体介质标定刻度瞬时流量值与工况瞬时流量值之间的转换计算,气体介质如何实现标况瞬时流量与工况瞬时流量的4种换算计算,将浮子流量计的应用系统化、公式化,便于厂家设计参考和工程应用计算。
  浮子流量计具有结构简单、制造容易、流量示值直观、易于维护和压力损失小的优点,在工业现场得到广泛的应用。中国计量科学研究院早期起草了《玻璃转子流量计检定规程》和《金属管转子流量计检定规程》,后期又合并为《转子流量计》,而最新的检定规程是《JJG257-2007浮子流量计》。浮子流量计一般工作压力不大于0.6MPa,分为:玻璃浮子流量计,金属管浮子流量计和特种浮子流量计(如医用氧量调量)。浮子流量计可作为瞬时流量计,水、气、油均可以设计选用,可用作标准流量计、用作流量试验装置指示流量、过程控制、泄露量监控、流体能力指示,用作可视阀门[1]。
1结构和原理
1.1流量计算
  浮子流量计的测量本体由一根自下向上扩大的垂直锥管和一只可以沿着锥管轴向自由移动的浮子组成,当被测流体自锥管下端流入流量计时,由于流体的作用,浮子上下端面产生一差压,该差压即为浮子的上升力。当差压值大于浸在流体中浮子的重量时,浮子开始上升。随着浮子的上升,浮子最大外径与锥管之间的环形面积逐渐增大,流体的流速则相应下降,作用在浮子上的上升力逐渐减小,直至上升力等于浸在流体中的浮子的重量时,浮子便稳定在某一高度上。这时浮子在锥管中的高度h与所通过的流量qv有对应的关系[2]。结构如图1所示。
浮子流量计结构图
  式中,v为流体通过环隙面积的平均流速,C为阻力系数(常数),Vf为浮子的体积,ρf为浮子的材料密度,ρ为流体介质的密度,g为重力加速度,Af为浮子的迎流面积。由公式可得,不管浮子流量计的浮子停留在什么位置,流体流过环隙面积的平均流速v值是没有变化的。A是环隙面积大小,也就是说瞬时体积流量qv的大小,只与A环隙面积大小有关,瞬时流量越大,环隙面积越大,浮子位置越高;反之瞬时流量越小,环隙面积越小,浮子位置越低[3-4]。

  式中α为流量系数,φ为锥管夹角,K为常数。当被测介质确定以后,即介质密度为常数,瞬时体积流量与浮子的高度之间成线性关系。而大量的实验表明,浮子流量计的流量系数α与浮子的几何形状和流动雷诺数ReD有关:对于一定的浮子形状,当雷诺数ReD大于某一个临界数以后,流量系数α将趋于一个常数:有些资料中提及,如果锥半角足够小,则可忽略二次项进行简化计算,这种方法是不严谨的,计算误差大于10%,远远超出了误差范围[5-6]。
浮子流量计结构和计算示意图
1.2出厂标定
  对于不同的流体,介质密度不同,瞬时流量与浮子高度之间的对应关系也不尽相同,原来的流量刻度就不再适用,所以浮子流量计应该用实际的流体介质进行标定。但是,对于生产厂家而言,由于出厂标定设备的局限性,不可能有各种实际流体机制的标准装置对浮子流量计进行标定,在一般情况下,大部分生产厂家只能用水或者空气进行标定。因此,如果浮子流量计用来测量非标定介质时,应该对浮子流量计的读数进行修正,即刻度换算。
1.3量程换算
  当浮子流量计的浮子几何形状一致时,改变浮子的材料,就可以改变浮子的密度,即改变浮子流量计的量程。浮子材料的密度增加,浮子流量计的量程扩大;密度减小,则量程缩小。如果浮子流量计现场应用和出厂标定的浮子材料不同时,则还需要引入浮子密度的流量修正值,当然这种情况比较少见,一般出厂时,流量计浮子与锥管都已经确定。
2应用特点
  最简单的浮子流量计由浮子和锥管两个部件组成,数十元的制造成本,有些使用场合甚至可以免维护,可用于低雷诺数的测量场合,适用于小管径和低流速。压力损失小,对上游直管段要求比较低,有较宽的流量范围,量程比一般为10∶1,双浮子结构的量程比甚至可以达到50∶1。玻璃管浮子流量计显示的流量值多是直接刻印在透明玻璃外表面上,目测浮子停留位置即可,而金属管浮子流量计往往测量高温、高压、危险性流体,不能用人眼来观察浮子位置,采用了磁感应显示机构。
3刻度换算
3.1液体刻度换算

  当现场介质与标定介质粘度相差比较大时,则需要进行现场标定,而不能认为α标=α现。不管是同一种液体还是不同种液体的现场流量和标定流量换算,都可以应用上述计算公式[7]。
3.2气体刻度换算
  气体浮子流量计,厂家一般用标况状态下的空气(20℃,101.325kPa)检定,由于气体受工况温度、压力影响比较大,不仅仅是现场介质与标定介质不同需要转换,同一种气体在工况和标况之间也需要转换。由于浮子自身的密度要比气体大很多,所以可以近似认为ρf-ρ现=ρf-ρ标,这样公式可以推导出针对气体浮子流量计的简化版:
1)同一种气体

  这样已知标定气体的标况瞬时流量就可以求出该气体的工况瞬时流量值。该气体的标况瞬时流量直接看标定好的刻度线,气体的工况瞬时流量通过上述公式计算后得到。
2)不同气体

c)这样已知气体1的工况瞬时流量就可以求出气体2的标况瞬时流量值。
拓展推导容易得出:

d)这样已知气体1的标况瞬时流量就可以求出气体2的标况瞬时流量值。
上述一共有4种计算公式:
气体1工况求气体2工况;
气体1标况求气体2工况(常用);
气体1工况求气体2标况;
气体1标况求气体2标况(常用)。
  不难看出,不同气体的4个经验公式中,如果稍作转换,就是同一种气体的计算公式。由于浮子流量计刻度值都是标况刻度值,因此上述4个公式中有2个较为常用[8-10]。
4计算实例
命题1:刻度为空气的一台气体浮子流量计测量氧气,假设工况温度和压力与刻度状态相同,求浮子流量计示值稳定在30m3/h刻度时,氧气的工况瞬时流量为多少?
分析可得,命题是气体1的标况体积流量求气体2的工况体积流量值,因此应用如下公式:

命题3:一台用水标定的液体浮子流量计,测量硝酸,不考虑粘度对液体流量的影响,计算浮子流量计浮子稳定在2000L/h时硝酸的体积流量为多少?已知浮子材料为不锈钢,密度7920m3/h,检定介质水密度998.2m3/h,被测介质硝酸密度1512m3/h。

3结论
  从浮子流量计的结构原理、应用特点、刻度转换三个方面介绍了浮子流量计的设计过程和应用。详细阐述了如何进行液体和气体介质的换算计算,将浮子流量计的应用系统化,公式化。

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