[導(dǎo)讀] 簡(jiǎn)要介紹金屬管浮子流量計(jì)在流量測(cè)量時(shí)的工作原理，并給出了流量計(jì)算公式的推導(dǎo)及應(yīng)用。
在流量測(cè)量中，金屬管浮子流量計(jì)是量大面廣的產(chǎn)品之一。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、直觀、壓損小、測(cè)量范圍大、運(yùn)行可靠、可測(cè)中小流量及低雷諾數(shù)流量、維護(hù)方便、壽命長(zhǎng)，對(duì)儀表前后直管段長(zhǎng)度要求不高等優(yōu)點(diǎn)。多年來(lái)，金屬管浮子流量計(jì)的各種優(yōu)良性能和可靠性，以及較好的性能價(jià)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(yè)的青睞。
1 原理
浮子流量計(jì)又稱(chēng)轉(zhuǎn)子流量計(jì)，是變面積式流量計(jì)的一種。浮子流量計(jì)實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量的理論基礎(chǔ)是“定壓將，變面積“原理。在流動(dòng)的流體中放置一個(gè)軸線與流向平行的浮子，見(jiàn)圖1。
浮子流量計(jì)本體可以用兩端法蘭、螺紋或軟管與測(cè)量管道連接。當(dāng)流體自下而上流入錐管時(shí)，被浮子截流，這樣在浮子上、下游之間產(chǎn)生壓力差，浮子在壓力差的作用下上升，這時(shí)作用在浮子上的力有三個(gè)：流體對(duì)浮子的動(dòng)壓力、浮子在流體中的浮力和浮子自身的重力。只有當(dāng)流體對(duì)浮子的動(dòng)壓力與浮子在流體中所受的浮力之和等于浮子的重力時(shí)，浮子就平穩(wěn)地浮在某一位置上。
大量實(shí)驗(yàn)證明，在一定雷諾數(shù)的范圍內(nèi)，對(duì)于同一口徑浮子流量計(jì)，流體流速的大小與浮子的形狀有關(guān)。對(duì)于給定的浮子流量計(jì)，浮子大小和形狀已經(jīng)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(duì)浮子的動(dòng)壓力是隨來(lái)流流速的大小而變化的。因此當(dāng)來(lái)流流速變大或變小時(shí)，浮子將作向上或向下的移動(dòng)，相應(yīng)位置的流動(dòng)截面積也發(fā)生變化，流動(dòng)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(dòng)時(shí)，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(shí)對(duì)應(yīng)的速度，浮子就在新的位置上穩(wěn)定。對(duì)于一臺(tái)給定的浮子流量計(jì)，浮子在測(cè)量管中的位置與流體流經(jīng)測(cè)量管的流量的大小成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。
為了使浮子在形管的中心線上下移動(dòng)時(shí)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(dǎo)向芯棒，以保持浮子在錐形管的中心線作上下運(yùn)動(dòng)，另一種是在浮子圓盤(pán)邊緣開(kāi)有一道道斜槽，當(dāng)流體自下而上流過(guò)浮子時(shí)，一面繞過(guò)浮子，同時(shí)又穿過(guò)斜槽產(chǎn)生一反推力，使浮子繞中心線不停地旋轉(zhuǎn)，就可保持浮子在工作時(shí)不致碰到管壁。浮子流量計(jì)的浮子材料可用不銹鋼、鈦、316L等制成。
2 構(gòu)成
浮子流量計(jì)是由浮子、錐管、檢測(cè)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(hào)以磁信號(hào)的形式傳輸給檢測(cè)器。檢測(cè)器把這一檢測(cè)到的信號(hào)再以電信號(hào)的形式遠(yuǎn)距離傳輸，并現(xiàn)場(chǎng)指示瞬時(shí)流量值。
浮子流量計(jì)具有小流量值、范圍度大、不用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的特點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)部件磨損小、使用壽命長(zhǎng)、壓力損失小、安裝方便、維修量小、使用周期長(zhǎng)、可遠(yuǎn)距離傳輸流量信號(hào)，與計(jì)算機(jī)連用可實(shí)現(xiàn)集中管理。
但也存在不足，如對(duì)于高黏度、大流量、以及兩相以上流體不能測(cè)量。
3 應(yīng)用
由浮子流量計(jì)和流量顯示儀兩部分組成的流量?jī)x表，其顯示儀為通用流量顯示儀表。與其它形式流量計(jì)比較，具有以下優(yōu)點(diǎn)：流量計(jì)內(nèi)部可動(dòng)部件較少、構(gòu)造簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)；范圍度10：1；從理論上說(shuō)不需單獨(dú)標(biāo)定即可用于流量測(cè)量；儀表輸出電信號(hào)，易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化測(cè)量及計(jì)算機(jī)聯(lián)用；測(cè)量準(zhǔn)確度可達(dá)±1%。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外都在積極研究浮子流量計(jì)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。浮子流量計(jì)的在應(yīng)用時(shí)的流量計(jì)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(huán)隙面積
F——浮子最大端面面積
ρf——浮子材料密度
ρ——流體介質(zhì)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(dāng)?shù)刂亓铀俣?/div>
r——浮子最大半徑
浮子流量計(jì)的理論方程式是根據(jù)伯努利方程，流體連續(xù)性方程以及力平衡的原理推出。
根據(jù)伯努力方程有下式：
(1)
若設(shè)Z1≈Z2 (流量系數(shù)中予以修正)
則(1)式為
(2)
根據(jù)流體力學(xué)方程有下式：
(3)
又根據(jù)浮子的力平衡原理有下式：
(4)
有圖2可知，F(xiàn)1≈F，fk＜＜F1聯(lián)立解(2)、(3)、(4)式可得
(5)
因此，體積流量為：
(6)
質(zhì)量流量為：
(7)
其中：α—流量系數(shù)，它是取決于浮子形狀、雷諾數(shù)以及上述各種標(biāo)定條件的修正系數(shù)，由試驗(yàn)確定。
浮子流量計(jì)在應(yīng)用中要保證其測(cè)量準(zhǔn)確度，就必須正確的安裝使用：
浮子流量計(jì)安裝地點(diǎn)選在無(wú)強(qiáng)電、磁場(chǎng)干擾的環(huán)境；要求豎直安裝、傾斜度不大于2°，無(wú)機(jī)械振動(dòng)，流體保持充滿(mǎn)管道；用于測(cè)量氣體時(shí)，為使流量計(jì)穩(wěn)定工作，被測(cè)氣體壓力一般應(yīng)大于0.1MPa；若被測(cè)氣體較臟或含有導(dǎo)磁顆粒時(shí)，應(yīng)在流量計(jì)的上游安裝過(guò)濾器或磁過(guò)濾器。浮子流量計(jì)的口徑與管道必須對(duì)應(yīng)，法蘭之間的密封墊圈不得突入管內(nèi)。
4 結(jié)語(yǔ)
金屬管浮子流量計(jì)作為過(guò)程控制儀表，可以適應(yīng)高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕、劇毒等多種苛刻環(huán)境，較少的可動(dòng)部件、便于維護(hù)，解決了生產(chǎn)中的許多難題。正確合理的設(shè)計(jì)，金屬管浮子流量計(jì)以其卓越的性能被越來(lái)越多的用戶(hù)所青睞。展望未來(lái)，浮子流量計(jì)趨向電子化和數(shù)字化，將為其開(kāi)拓新的領(lǐng)域；已逐步實(shí)現(xiàn)累計(jì)流量顯示、HART通訊等多項(xiàng)功能。