在流量測量中，金屬管浮子流量計是量大面廣的產品之一。它具有結構簡單、直觀、壓損小、測量范圍大、運行可靠、可測中小流量及低雷諾數流量、維護方便、壽命長，對儀表前后直管段長度要求不高等優點。多年來，金屬管浮子流量計的各種優良性能和可靠性，以及較好的性能價格比，廣泛受到了石化、鋼鐵、電力、冶金、輕工、食品、制藥、水處理等行業的青睞。

 

    1 原理

 

    浮子流量計又稱轉子流量計，是變面積式流量計的一種。浮子流量計實現流量測量的理論基礎是“定壓將，變面積“原理。在流動的流體中放置一個軸線與流向平行的浮子，見圖1。

 

 

 

    浮子流量計本體可以用兩端法蘭、螺紋或軟管與測量管道連接。當流體自下而上流入錐管時，被浮子截流，這樣在浮子上、下游之間產生壓力差，浮子在壓力差的作用下上升，這時作用在浮子上的力有三個：流體對浮子的動壓力、浮子在流體中的浮力和浮子自身的重力。只有當流體對浮子的動壓力與浮子在流體中所受的浮力之和等于浮子的重力時，浮子就平穩地浮在某一位置上。

 

    大量實驗證明，在一定雷諾數的范圍內，對于同一口徑浮子流量計，流體流速的大小與浮子的形狀有關。對于給定的浮子流量計，浮子大小和形狀已經確定，因此它在流體中的浮力和自身重力都是已知是常量，唯有流體對浮子的動壓力是隨來流流速的大小而變化的。因此當來流流速變大或變小時，浮子將作向上或向下的移動，相應位置的流動截面積也發生變化，流動截面積與浮子的上升高度成比例，即浮子的某一高度代表流量的大小。浮子上下移動時，以磁耦合的形式將位置傳遞到外部指示器，直到流速變成平衡時對應的速度，浮子就在新的位置上穩定。對于一臺給定的浮子流量計，浮子在測量管中的位置與流體流經測量管的流量的大小成一一對應關系。

 

    為了使浮子在形管的中心線上下移動時不碰到管壁，通常采用兩種方法：一種是在浮子中心裝有一根導向芯棒，以保持浮子在錐形管的中心線作上下運動，另一種是在浮子圓盤邊緣開有一道道斜槽，當流體自下而上流過浮子時，一面繞過浮子，同時又穿過斜槽產生一反推力，使浮子繞中心線不停地旋轉，就可保持浮子在工作時不致碰到管壁。浮子流量計的浮子材料可用不銹鋼、鈦、316L等制成。

 

    2 構成

 

    浮子流量計是由浮子、錐管、檢測器等部件組成。浮子組件裝有磁鋼，其作用把是浮子的位移信號以磁信號的形式傳輸給檢測器。檢測器把這一檢測到的信號再以電信號的形式遠距離傳輸，并現場指示瞬時流量值。

 

    浮子流量計具有小流量值、范圍度大、不用現場調試的特點。其結構簡單、運動部件磨損小、使用壽命長、壓力損失小、安裝方便、維修量小、使用周期長、可遠距離傳輸流量信號，與計算機連用可實現集中管理。

 

    但也存在不足，如對于高黏度、大流量、以及兩相以上流體不能測量。

 

    3 應用

 

    由浮子流量計和流量顯示儀兩部分組成的流量儀表，其顯示儀為通用流量顯示儀表。與其它形式流量計比較，具有以下優點：流量計內部可動部件較少、構造簡單、使用壽命長；范圍度10：1；從理論上說不需單獨標定即可用于流量測量；儀表輸出電信號，易于實現數字化測量及計算機聯用；測量準確度可達±1%。現在國內外都在積極研究浮子流量計的開發和應用。浮子流量計的在應用時的流量計算如圖2。

 

 

 

P1、P2——端面Ⅰ、Ⅱ上的平均壓力

 

V1、V2——端面Ⅰ、Ⅱ上的平均流速

 

Z1、Z2——端面Ⅰ、Ⅱ上距起始水平面高度

 

F1——端面Ⅰ的面積

 

fk——端面Ⅱ環隙面積

 

F——浮子最大端面面積

 

ρf——浮子材料密度

 

ρ——流體介質密度

 

V——浮子體積

 

h——浮子位移

 

β——錐管半角

 

R——浮子位移h處錐管半徑

 

g——當地重力加速度

 

r——浮子最大半徑

 

    浮子流量計的理論方程式是根據伯努利方程，流體連續性方程以及力平衡的原理推出。

 

    根據伯努力方程有下式：

 

      (1)

 

    若設Z1≈Z2 (流量系數中予以修正)

 

則(1)式為

 

        (2)

 

根據流體力學方程有下式：

 

       (3)

 

又根據浮子的力平衡原理有下式：

 

       (4)

 

有圖2可知，F1≈F，fk＜＜F1聯立解(2)、(3)、(4)式可得

 

       (5)

 

因此，體積流量為：

 

      (6)

 

質量流量為：

 

        (7)

 

    其中：α—流量系數，它是取決于浮子形狀、雷諾數以及上述各種標定條件的修正系數，由試驗確定。

 

    浮子流量計在應用中要保證其測量準確度，就必須正確的安裝使用：

 

    浮子流量計安裝地點選在無強電、磁場干擾的環境；要求豎直安裝、傾斜度不大于2°，無機械振動，流體保持充滿管道；用于測量氣體時，為使流量計穩定工作，被測氣體壓力一般應大于0.1MPa；若被測氣體較臟或含有導磁顆粒時，應在流量計的上游安裝過濾器或磁過濾器。浮子流量計的口徑與管道必須對應，法蘭之間的密封墊圈不得突入管內。

 

    4 結語

 

    金屬管浮子流量計作為過程控制儀表，可以適應高溫、高壓、強腐蝕、劇毒等多種苛刻環境，較少的可動部件、便于維護，解決了生產中的許多難題。正確合理的設計，金屬管浮子流量計以其卓越的性能被越來越多的用戶所青睞。展望未來，浮子流量計趨向電子化和數字化，將為其開拓新的領域；已逐步實現累計流量顯示、HART通訊等多項功能。