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浮子流量計

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前 言

浮子流量計是以浮子在垂直錐形管中隨著流量變化而升降,改變它們之間的流通面積來進行測量的體積流量儀表,又稱轉子流量計。在美國、日本常稱作變面積流量計(Variable Area Flowmeter)或面積流量計。
  浮子流量計原理設想發軔于19世紀60年代,20實際初出現商品。從應用臺樹所占比例來看,1985年英國抽樣調查72家企業17000臺流量儀表中浮子流量計占19.2%。我國浮子流量計產量1996年估計在15萬-17萬臺之間,其中95%左右為玻璃管浮子流量計。
 

 

第一節  原理和結構

  浮子流量計的流量檢測元件是由一根自下向上擴大的垂直錐形管和一個沿著錐管軸上下移動的浮子組所組成。工作原理如圖1所示,被測流體從下向上經過錐管1和浮子2形成的環隙3時,浮子上下端產生差壓形成浮子上升的力,當浮子所受上升力大于浸在流體中浮子重量時,浮子便上升,環隙面積隨之增大,環隙處流體流速立即下降,浮子上下端差壓降低,作用于浮子的上升力亦隨著減少,直到上升力等于浸在流體中浮子重量時,浮子便穩定在某一高度。浮子在錐管中高度和通過的流量有對應關系。
  體積流量Q的基本方程式為

 


(1)
當浮子為非實芯中空結構(放負重調整量)時,則
(2)
式中 α——儀表的流量系數,因浮子形狀而異;
ε——被測流體為氣體時氣體膨脹系數,通常由于此系數校正量很小而被忽略,且通過校驗已將它包括在流量系數內,如為液體則ε=1;
△F——流通環形面積,m2;
g——當地重力加速度,m/s2;
Vf——浮子體積,如有延伸體亦應包括,m3;
ρf——浮子材料密度,kg/m3;
ρ——被測流體密度,如為氣體是在浮子上游橫截面上的密度,kg/m3;
Ff——浮子工作直徑(最大直徑)處的橫截面積,m2;
Gf——浮子質量,kg。
流通環形面積與浮子高度之間的關系如式(3)所示,當結構設計已定,則d、 β為常量。式中有h的二次項,一般不能忽略此非線性關系,只有在圓錐角很小時,才可視為近似線性。
m2 (3)
式中 d——浮子最大直徑(即工作直徑),m;
h——浮子從錐管內徑等于浮子最大直徑處上升高度,m;
β——錐管的圓錐角;
a、b——常數。
口徑15-40mm透明錐形管浮子流量計典型結構如圖2所示。透明錐形管4用得最普遍是由硼硅玻璃制成,習慣簡稱玻璃管浮子流量計。流量分度直接刻在錐管4外壁上,也有在錐管旁另裝分度標尺。錐管內腔有圓錐體平滑面和帶導向棱筋(或平面)兩種。浮子在錐管內自由移動,或在錐管棱筋導向下移動,較大口平滑面內壁儀表還有采用導桿導向。
  圖3是直角型安裝方式金屬管浮子流量計典型結構,通常適用于口徑15-40mm以上儀表。錐管5和浮子4組成流量檢測元件。套管(圖3未表示)內有導桿3的延伸部分,通過磁鋼耦合等方式,將浮子的位移傳給套管外的轉換部分。轉換部分有就地指示和遠傳信號輸出兩大類型。除直角安裝方式結構外還有進出口中線與錐管同心的直通型結構,通常用于口徑小于10-15mm的儀表。
 
第二節 優點和缺點

  浮子流量計使用于小管徑和低流速。常用儀表口徑40-50mm以下,最小口徑做到1.5-4mm。適用于測量低流速小流量,以液體為例,口徑10mm以下玻璃管浮子流量計滿度流量的名義管徑,流速只在0.2-0.6m/s之間,甚至低于0.1m/s;金屬管浮子流量計和口徑大于15mm的玻璃管浮子流量計稍高些,流速在0.5-1.5m/s之間。
  浮子流量計可用于較低雷諾數,選用粘度不敏感形狀的浮子,流通環隙處雷諾數只要大于40或500,雷諾數變化流量系數即保持常數,亦即流體粘度變化不影響流量系數。這數值遠低于標準孔板等節流差壓式儀表最低雷諾數104-105的要求。
  大部分浮子流量計沒有上游直管段要求,或者說對上游直管段要求不高。
  浮子流量計有較寬的流量范圍度,一般為10:1,最低為5:1,最高為25:1。流量檢測元件的輸出接近于線性。壓力損失較低。
  玻璃管浮子流量計結構簡單,價格低廉。只要在現場指示流量者使用方便,缺點是有玻璃管易碎的風險,尤其是無導向結構浮子用于氣體。
  金屬管浮子流量計無錐管破裂的風險。與玻璃管浮子流量計相比,使用溫度和壓力范圍寬。
  大部分結構浮子流量計只能用于自下向上垂直流的管道安裝。
  浮子流量計應用局限于中小管徑,普通全流型浮子流量計不能用于大管徑,玻璃管浮子流量計最大口徑100mm,金屬管浮子流量計為150mm,更大管徑只能用分流型儀表。
  使用流體和出廠標定流體不同時,要作流量示值修正。液體用浮子流量計通常以水標定,氣體用空氣標定,如實際使用流體密度、粘度與之不同,流量要偏離原分度值,要作換算修正。
 

 

第三節 分 類

  時常上定型產品和特殊型儀表從不同角度可作不同分類,如:
  按錐形管材料分為透明錐形管和金屬錐形管。
  按有否遠傳信號輸出分為就地指示型和遠傳信號輸出型,后者又分為電遠傳和氣遠傳兩種。
  按被測流體分為液體用、氣體用和蒸汽。
  按被測流體通過浮子流量計的量分為全流型和分流型。
  3.1 按錐形管材料分類類型
   ?。?)透明錐形管浮子流量計
    透明錐形管材料用得最多的是玻璃,無導向結構儀表測量氣體時操作不慎,玻璃管易被擊碎;還有用透明工程塑料如聚苯乙烯、聚碳酸酯、有機玻璃等制成,具有不易擊碎之優點。
   ?。?)金屬管錐形管浮子流量計
    與透明錐形管浮子流量計相比,可用于較高的介質溫度和壓力,且無玻璃管浮子流量計錐管被擊碎的潛在危險。圖3所示典型結構是錐形管與殼體制成一體結構,也有錐管套入殼體的分離結構,改變流量規格只要調換不同圓錐角的錐管,使用較為靈便。
  3.2 按有否遠傳信號輸出分類類型
   ?。?)就地指示型浮子流量計
    有些透明管浮子流量計以就地指示為主,裝有接近開關,作流量上下限報警信號輸出。
    有些就地指示型金屬管浮子流量計外形與遠傳信號輸出相同,只是將浮子位移通過磁耦合傳出,經連桿凸輪等線性化機構處理后就地指示。
 ?。?)遠傳信號輸出型浮子流量計
    遠傳信號輸出型儀表的轉換部分將浮子位移量轉換成電流或氣壓模擬量信號輸出,分別成為電遠傳浮子流量計和氣遠傳浮子流量計。
  3.3 按被測流體分類類型
    分為液體用、氣體用和蒸汽用3種。
    實際上大部分浮子流量計同一儀表可用于液體也可用于氣體,結構上是通用的。只是我國浮子流量計行業標準等(如JB/T 6844-93)規定流量上限Qmax必須符合(1,1.6,2.5,4或6)×10nL/h的要求(n為正負整數或零),為液體(以水為代表)設計的儀表用于氣體(以空氣為代表)時,不符合上述要求,只能為氣體另行設計浮子和錐管,就分成液體和氣體兩種系列。國外有些制造廠同一儀表并列液、氣兩種流體的流量范圍,當然流量值就不可能都是圓整值;國內有些型號儀表也采用本辦法。但是液體用和氣體用設計還是有區別的,例如氣體儀表浮子設計得較輕,防浮子振蕩跳動的阻尼件結構各異等。
測量蒸汽只能用專門設計的金屬管浮子流量計或在標準型儀表上加裝附加構件,例如增加帶散熱片的液體阻尼件,以減少浮子跳動;與指示轉換部分連接處隔以散熱片。
  3.4 按被測流體通過浮子流量計的量分類類型
   ?。保┤饜汀〖幢徊飭魈迦苛鞴∽恿髁考頻囊潛?br />    ?。玻┓至饜汀∠嘍雜諶饜橢揮脅糠直徊飭魈辶鞴∽擁攘髁考觳獠糠?。分流型浮子流量計由裝載主管道上標準孔板(或均速管)和較小口徑浮子流量計組合而成,應用與管徑大于50mm的較大流量和只要就地指示的場所,價格低廉。分流型浮子流量計結構上分為分離型和一體型兩種。
一體型儀表將孔板和浮子流量計組裝在短管段上,直接裝到待測管道,原理與結構示意圖如圖4所示,安裝方便。有適用于水平和垂直管道兩種結構,但均只能安裝在便于讀取儀表示值的場所。主管道管徑通常為50-300mm,孔板的孔徑比(β)在0.3-0.7之間,差壓在0.6-100KPa之間,浮子流量計口徑為10-25mm。
分流型浮子流量計的選用流速可比全流型高,液體流速可達2.5-3m/s,甚至高達4-5m/s。由于分流管中置有限流小孔板,起到補償主孔板流量和差壓間平方根非線性關系,流量示值基本是線性的,有較寬的范圍度,一般為10:1。精確度為2.5%-4%FS。

 

第四節  選用考慮要點

4.1 應用概況
  浮子流量計作為直觀流動指示或測量精確度要求不高的現場指示儀表,占浮子流量計應用的90%以上,被廣泛地用在電力、石化、化工、冶金、醫藥等流程工業和污水處理等公用事業。有些應用場所只要監測流量不超過或不低于某值即可,例如電纜惰性?;て髁吭黽鈾得韃誦碌男孤┑?。循環冷卻和培養槽等水或空氣減流斷流報警等場所可選用有上限或下限流量報警的玻璃管浮子流量計。
環境?;ご篤裳土鞒坦ひ翟諳嘸嗖獾姆治鲆瞧髁⊙?,采樣的流量監控也是浮子流量計的大宗服務對象。
作為流程工業液位、密度等其他參量的測量中,定流量測量和控制的輔助儀表,應用得非常普遍,亦占有相當份額。
帶信號輸出的遠傳金屬浮子流量計在流程工業常用作流量控制檢測儀表或管線混合配比,如給水處理過程控制原水加藥液的配比量。
  4.2 類型和結構選擇
  浮子流量計主要測量對象是單相液體或氣體,液體中含有微粒固體或氣體中含有液滴通常不適用。因為浮子在液流中附著微?;蛭⑿∑菥嵊跋觳飭恐?,例如微流量儀表使用一段時期后浮子附著肉眼不出的附著層,也會改變流量示值百分之幾。
如只要現場指示,首先考慮價廉的玻璃管浮子流量計,如溫度、壓力不能勝任則選用就地指示金屬管浮子流量計。玻璃管浮子流量計應選帶有透明防護罩,一旦玻璃錐管破裂,可擋住流體正向散濺,以作緊急處理。用于氣體時應選用導桿或帶棱筋導向的儀表,以避免操作不慎浮子擊碎錐管。如需要遠傳輸出信號作總量積算或流量控制,一般選用電信號輸出的金屬管浮子流量計。如環境氣氛有防爆要求而現場又有控制儀表用氣源,則優先考慮氣遠傳金屬浮子流量計,若選用電遠傳儀表則必須是防爆型。
測量不透明液體時選擇金屬管浮子流量計較為普遍,但也可選擇帶棱筋錐形管的玻璃管浮子流量計,借助浮子最大直徑與棱筋接觸的痕跡,以判讀浮子的位置。
測量溫度高于環境溫度的高粘度液體和降溫易析出結晶或易凝固的液體,應選用帶夾套的金屬管浮子流量計。
  4.3 按實際使用介質密度選擇儀表流量范圍
  這里所謂實際使用狀態介質密度,液體是指使用時的密度,氣體指使用狀態下的密度,或標準狀態下密度進行使用壓力和溫度的修正。通常儀表刻度的流量范圍,液體是常溫水標定值,氣體是空氣標定換算到工程標準狀態(20℃,0.10133MPa)的值。將實際使用密度按式(4)或式(5)換算后再選擇合適的流量范圍和口徑,但必須是使用介質粘度與標定介質粘度相接近,亦即認為α不變的前提下使用。
液體
(4)

式中 Q水-待選定用水實流標定儀表的最大流量,L/h;
    Q-被測液體的最大流量,L/h;
    ρf-浮子密度,g/cm3,對于空心的浮子ρf=Gf/V,Gf為浮子質量(g),V為浮子體積,cm3;
    ρ,ρ水-被測液體和水的密度,g/cm3。

氣體
(5)

式中 Q空-待選定用空氣實流標定儀表的最大流量,m3/h;
    Q-被測氣體的最大流量,m3/h;
    ρ-被測氣體的密度,kg/m3;
    P-被測氣體使用狀態下絕對壓力,MPa;
    T-被測氣體使用狀態下熱力學溫度,K。
  4.4 浮子形狀和粘度影響
  浮子形狀不屬于使用者選擇的范疇,制造廠是按儀表結構和流量范圍選擇合適形狀而設計的,。但是使用者應了解所使用浮子的特點和流量示值受流體粘度影響的程度。
  流量基本方程式(1)未包含流體粘度參數,但流量系數α在環形通道雷諾數Re(環)低于某值時不是常數而隨Re(環)而變,而Re(環)與流體粘度成反比。圖5所示是三種形狀浮子Re(環)-α的關系曲線。Re(環)取決于流體粘度、浮子最大直徑和其所在位置錐管內直徑比、環形通道中的流速,對于設計已定在運行中的儀表,影響Re(環)的因素是流體粘度。不隨Re(環)而變的α值,A型浮子為0.96,B型為0.76,C型為0.61。此外,還有常用的球形浮子,α約為0.99。流量系數因浮子形狀而有較大差異。A型、B型和C型三種浮子α為常數的下限Re(環)分別約為6000,300和40。
  對設計已定某乙口徑和流量范圍的儀表,亦即有一個粘度上限值,小于粘度上限值流量示值將不受流體粘度影響,選用時要考慮流體粘度是否超過上限值。有些型號浮子流量計同一口徑不同流量范圍的浮子形狀是相同(重量不同,粘度上限值相近);而還有一些型號則浮子形狀不同,就有不同粘度上限值。
  4.5 示值分度、精確度和范圍度
  直讀型儀表的流量示值分度有Dt/d比分度、百分比分度、直接流量分度和毫米分度四種。Dt/d比分度是以浮子直徑d與相應錐管內徑Dt的比值表示,國內產品甚少采用;百分率分度是以滿度流量作為100%,其優點是流體物性或工況變化,流量讀書轉換方便;直接流量分度是以指定流體的工況條件或以標定條件(通常液體為水、氣體為空氣)的流量分度,優點是直觀,但若使用條件和指定條件不一致須換算時,反而不及百分率分度方便。毫米分度是讀取浮子高度后查所附曲線或數據表,求的流量,通常應用于操作時只要知道浮子達到預定位置,毋需知道確切流量的場所。有些型號儀表同時設有毫米分度和直接流量分度兩種標尺。
浮子流量計為低中等精確度儀表。通用型玻璃浮子流量計的基本誤差,口徑小于6mm為2.5%-5%FS,10-15mm為2.5%FS,25mm以上為1-%-2.5%FS;金屬管浮子流量計就地指示型為1%-2.5%FS,遠傳型為1%-4%FS。耐腐型儀表的精確度還要低些。有些特殊結構儀表,例如表尺長度只有2-3倍浮子直徑的短型玻璃管浮子流量計和高壓型吹流型金屬管浮子流量計精確度低至5-10級。
玻璃管浮子流量計范圍度大部分為10:1,短管型儀表口徑100mm則為5:1;金屬管浮子流量計為(5:1)-(10:1)。
  4.6 液體的壓力溫度和儀表的壓力損失
  被測流體的工作壓力和溫度應低于儀表的額定值。流體溫度較高時,有些制造廠要降低額定壓力,通常樣本和使用說明書均作說明。用于較高壓力的氣體和溫度超過沸點的高壓液體,不應選用玻璃管浮子流量計,應選用金屬浮子流量計。
  玻璃管浮子流量計的壓力損失較小,小口徑為0.2-2KPa,10-100mm為2-8KPa;金屬管浮子流量計則稍高些,一般為2-8KPa,較高者為18-25KPa。壓力損失應在樣本和使用說明書列出,但往往闕如。
流體的最低工作壓力應高于壓力損失若干倍,用于氣體時壓力過低容易產生浮子跳動。有些型號儀表的使用說明書規定流體壓力最低值,有些建議液體的最低工作壓力應大于2倍壓力損失,氣體則為5倍。
 

 

 

第五節  安裝使用注意事項

5.1 儀表安裝方向
  絕大部分浮子流量計必須垂直安裝在無振動的管道上,不應有明顯的傾斜,流體自下而上流過儀表。圖6說是為管道連接示例,裝有旁路管系以便不斷流進行維護。浮子流量計中心線與鉛垂線間夾角一般不超過5度,高精度(1.5級以上)儀表θ≤20 °。如果θ=12°則會產生1%附加誤差。儀表無嚴格上游直管段長度要求,但也有制造廠要求(2-5)D長度的,實際上必要性不大。
  5.2 用于污臟流體的安裝
  應在儀表上游裝過濾器。帶有磁性耦合的金屬管浮子流量計用于可能含鐵磁性雜質流體時,應在儀表前裝磁過濾器。
要保持浮子和錐管的清潔,特別是小口徑儀表,浮子潔凈程度明顯影響測量值。例如6mm口徑玻璃浮子流量計,在實驗室測量看似清潔水,流量為2.5L/h,運行24h后,流量示值增加百分之幾,浮子表面沾附肉眼觀察不出的異物,取出浮子用紗布擦拭,即恢復原來的流量示值。必要時可示如圖7所示設置沖洗配管,定時沖洗。
  5.3 脈動流的安裝
  流動本身的脈動,如擬裝儀表位置的上游有往復泵或調節閥,或下游有大負荷變化等,應改換測量位置或在管道系統予以補救改進,如加裝緩沖罐;若是儀表自身的振蕩,如測量時氣體壓力過低,儀表上游閥門未全開,調節閥未裝在儀表下游等原因,應針對性改進克服,或改選用有阻尼裝置的儀表。
  5.4 擴大范圍度的安裝
  如果測量要求的流量范圍度寬,范圍度超過10時,經常采用2臺以上不同流量范圍的玻璃管浮子流量計并聯,按所測量擇其一臺或多臺儀表串聯,小流量時讀取下流量范圍儀表示值,大流量時讀取大流量儀表示值,串聯法比并聯法操作簡便,毋需頻繁啟閉閥門,但壓力損失大。也可以在一臺儀表內放兩只不同形狀和重量的浮子,小流量時取輕浮子讀數,浮子到頂部后取重浮子讀數,范圍度可擴大到50-100。
  5.5 要排盡液體用儀表內氣體
  進出口不在直線的角型金屬浮子流量計,用于液體時注意外傳浮子位移的引申套管內是否殘留空氣,必須排??;若液體含有微小氣泡流動時極易積聚在套管內,更應定時排氣。這點對小口徑儀表更為重要,否則影響流量示值明顯。
  5.6 流量值作必要換算
  若非按使用密度、粘度等介質參數向制造廠專門定制的儀表,液體用儀表通常以水標定流量,氣體儀表用空氣標定,定值在工程標準狀態。使用條件的流體密度、氣體壓力溫度與標定不一致時,要做必要換算?;凰愎膠頭椒ǜ髦圃斐褂盟得魘槎加邢曄?。
  5.7 浮子流量計的校驗和標定
  浮子流量計的校驗和標定液體常用標準表法、容積法和稱量法;氣體常用鐘罩法,小流量用皂膜法。
  國外有些制造廠的大宗產品已做到干法標定,即控制錐形管尺寸和浮子重量尺寸,間接地確定流量值,以降低成本,只對高精度儀表才坐實流標定。國內也有些制造廠嚴格控制錐形管起始點內徑和錐度以及浮子尺寸,實流校驗只起到檢查錐形管內表面質量。這類制造廠生產的儀表、錐形管和浮子已做成互換,毋需成套更換。
浮子流量計采用標準表法校驗是一種高效率方法,各制造廠了與應用。有些制造廠將某一流量范圍的標準表制成數段錐度較小的玻璃管浮子流量計,擴展標準表表尺長度,提高標準表精度,使校驗標定工作做到高精度高效率。