玻璃轉(zhuǎn)子流量計的流量計算公式與結(jié)構(gòu)原理

浮子流量計又名轉(zhuǎn)子流量計(或面積流量計)。與節(jié)流變壓降流量計不同，玻璃轉(zhuǎn)子流量計在測量過程中，始終保持節(jié)流件(浮子)前后的壓降不變，而是通過改變流通面積來改變流量的儀表，所以玻璃轉(zhuǎn)子流量計也稱恒壓降流量計。

玻璃轉(zhuǎn)子流量計具有悠久的歷史，由于它具有結(jié)構(gòu)簡單、刻度直觀、使用維護方便、壓損小而恒定等優(yōu)點，所以被廣泛應用于工業(yè)流量測量領(lǐng)域。早在20世紀初，世界上就已經(jīng)出現(xiàn)了玻璃轉(zhuǎn)子流量計產(chǎn)品，30年代有較大發(fā)展，50年代在性能和品種上有很大提高。我國于20世紀50年代后期開始生產(chǎn)玻璃轉(zhuǎn)子流量計，60年代，國內(nèi)曾組織過全國性的玻璃轉(zhuǎn)子流量計的研究工作，在統(tǒng)一設計，統(tǒng)一標準和試驗研究方面做了大量工作。其后又先后頒布了《玻璃轉(zhuǎn)子流量計試行檢定規(guī)程》JJG257-1981，原機械工業(yè)部專業(yè)標準《玻璃浮子流量計》ZBY138-1983，《金屬管轉(zhuǎn)子流量計試行檢定規(guī)程》JJG132-1987以及代替前面兩個試行檢定規(guī)程的《轉(zhuǎn)子流量計檢定規(guī)程》JJG257-1994等技術(shù)規(guī)范，為浮子流量計的正確使用，準確可靠地工作提供了技術(shù)保證。發(fā)展到現(xiàn)在，浮子流量計在流量測量領(lǐng)域中無論是銷售金額還是使用臺套數(shù)都己占有相當比例。

玻璃轉(zhuǎn)子流量計按其制造材料的不同，可分為玻璃轉(zhuǎn)子流量計和金屬管浮子流量計兩大類。玻璃浮子流量計結(jié)構(gòu)簡單，浮子的位置清晰可見，刻度直觀，成本低廉，一般只用于常溫、常壓下透明介質(zhì)的流量測量。這種流量計只有就地指示，不能遠傳流量信號，多用于工業(yè)原料的配比計量。金屬管浮子流量計由于采用金屬錐管，流量計工作時無法直接看到浮子的位置和工作情況，需要用間接的方法給出浮子的位置，因此按其傳輸信號的方式不同，金屬管浮子流量計又可分為遠傳型(電遠傳和氣遠傳)和就地指示型兩種。這種流量計多用于高溫、高壓介質(zhì)，不透明及腐蝕性介質(zhì)的流量測量。除了能用作工業(yè)原料配比計量外，還能輸出標準信號與記錄儀和顯示器配套使用計量累積流量。

1 結(jié)構(gòu)原理與流量公式

1.1 結(jié)構(gòu)原理

玻璃轉(zhuǎn)子流量計結(jié)構(gòu)主要由一個向上擴張的錐形管和一個置于錐形管中可以上下自由移動的浮子組成，如圖5-1所示。流量計兩端用法蘭連接或螺紋連接的方式垂直地安裝在測量管路上，使流體自下而上地流過流量計，推動浮子。在穩(wěn)定工況下，浮子懸浮的高度h與通過流量計的體積流量qv之間有一定的比例關(guān)系。所以，可以根據(jù)浮子的位置直接讀出通過流量計的流量值qv，或通過電遠傳或氣遠傳的方式將流量信號(即浮子的位置信號)遠傳給二次儀表顯示和記錄。

為了使浮子在錐形管中移動時不致碰到管壁，通常采用兩種方法。一是在浮子上開幾條斜的槽溝，流體流經(jīng)浮子時，作用在斜槽上的力使浮子繞流束中心旋轉(zhuǎn)以保持浮子工作時據(jù)中和穩(wěn)定。早期生產(chǎn)的流量計一般采用這種方式，由于流量計工作時浮子是轉(zhuǎn)動的，故稱轉(zhuǎn)子流量計。第二種方法是在浮子中心加一導向桿或使用帶棱筋的玻璃錐管起導向作用，使浮子只能在錐形管中心線上下運動，保持浮子工作穩(wěn)定。這種流量計在工作時浮子并不旋轉(zhuǎn)，但習慣上還稱轉(zhuǎn)子流量計。直到現(xiàn)在，玻璃轉(zhuǎn)子流量計的名稱還被廣泛使用�，F(xiàn)代工業(yè)用較大口徑的浮子流量計一般都用這種形式。

1.2 流量公式

玻璃轉(zhuǎn)子流量計垂直地安裝在測量管路中，當流體沿流量計的錐形管自下而上地通過浮子而使浮子穩(wěn)定地懸浮在某一高度時，浮子主要受三個力的作用而處于平衡狀態(tài)：

1.迎面差壓阻力Fl

流體流經(jīng)浮子時，由于節(jié)流作用，使得浮子上下游產(chǎn)生差壓Δp，該差壓的大小和流體在浮子與錐形管壁間環(huán)形通道中的流速平方成正比，即

所以，迎面差壓阻力為

2.浮子受到的浮力F2

3.浮子自重W

式中，Af是浮子迎流面積；C是阻力系數(shù)；ρ是流體介質(zhì)密度；γ是流體介質(zhì)重度；u是流體速度；Vf，γf是浮子體積和重度。

顯然，當浮子在流體中處于平衡時，有

由式(5-1)可以看出，不管浮子停留在什么位置，流體流過環(huán)形面積的平均流速u是一個常數(shù)。由qv=Au可知，在u為常數(shù)的情況下，體積流量qv與流通面積A成正比。

環(huán)形流通面積A由浮子和錐形管尺寸確定，即

式中，D是浮于所在處錐管內(nèi)徑；Df 是浮子的最大直徑。

設錐管的錐角為φ，零刻度處錐管內(nèi)徑為Df，則在浮子高度為h處

所以

如果錐管的錐角φ很小，使得2Df>>2htanφ，則可將(2htanφ)2一項忽略不計。這樣，流通面積A可以近似地表示為

所以，體積流量為

式中，是玻璃轉(zhuǎn)子流量計的流量系數(shù)。

對于一定的流量計和一定的流體，式(5-3)中的Df，Af、Vf、ρf、φ和ρ等均為常數(shù)，所以，只要保持流量系數(shù)α為常數(shù)，則流量qv與浮子高度h之間就存在一一對應的近似線性關(guān)系。我們可以將這種對應關(guān)系直接刻度在流量計的錐管上，根據(jù)浮子的高度直接讀出流量值。

顯然，對于不同的流體，由于密度ρ不同，所以qv與h之間的對應關(guān)系也將不同，原來的流量刻度將不再適用。所以原則上，浮子流量計應該用實際流體介質(zhì)進行標定。

但是，對于玻璃轉(zhuǎn)子流量計的制造廠家來說，由于受到標定設備的限制，不可能對所有的玻璃轉(zhuǎn)子流量計都根據(jù)用戶的要求進行實液標定，通常只能用水或空氣分別對液體和氣體玻璃轉(zhuǎn)子流量計進行標定。所以，如果玻璃轉(zhuǎn)子流量計用來測量非標定介質(zhì)時，應該對玻璃轉(zhuǎn)子流量計的讀數(shù)進行修正，這就是玻璃轉(zhuǎn)子流量計的刻度換算。