浮子流量计的设计与应用

２０１９年４月Ａｐｒｉｌ　２０１９ＳＯＵＴＨＥＲＮＭＥＴＡＬＳ

　文章编号:１００９－９７００(２０１９)０２－００４７－０４

浮子流量计的设计与应用

宁新宇

(沈阳市市场监管事务服务与行政执法中心(沈阳市检验检测中心)－沈阳计量测试院ꎬ辽宁沈阳１１０１７９)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ꎮ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ꎬ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ꎬ将浮子流量计的应用系统化、公式化ꎬ便于厂家设计参考和工程应用计算ꎮ

关键词:浮子ꎻ流量计ꎻ刻度ꎻ换算ꎻ量程ꎻ压损中图分类号:ＴＨ８１４　　　　　　文献标志码:Ａ

ＴｈｅＤｅｓｉｇｎａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＦｌｏａｔＦｌｏｗ￣ｍｅｔｅｒ

(ＳｈｅｎｙａｎｇＭａｒｋｅｔＳｕｐｅｒｖｉｓｉｏｎＳｅｒｖｉｃｅａｎｄＡｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｖｅＬａｗＥｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔＣｅｎｔｅｒ(ＳｈｅｎｙａｎｇＩｎｓｐｅｃｔｉｏｎａｎｄＴｅｓｔｉｎｇＣｅｎｔｅｒ)￣

ＳｈｅｎｙａｎｇＭｅｔｒｏｌｏｇｙａｎｄＴｅｓｔｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ)ＳｈｅｎｙａｎｇꎬＬｉａｏｎｉｎｇＰｒｏｖｉｎｃｅꎬ１１０１７９ꎬＰ.Ｒ.Ｃｈｉｎａ)

Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｄｅｓｉｇｎｐｒｏｃｅｓｓａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｆｌｏａｔｆｌｏｗ￣ｍｅｔｅｒｆｒｏｍｔｈｅａｓｐｅｃｔｓｏｆｉｔｓｓｔｒｕｃｔｕｒｅｐｒｉｎ￣ｃｉｐｌｅꎬａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｓｃａｌｅｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ.Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｕｓｅｃａｓｅｉｎｄｅｔａｉｌꎬｉｔｅｌａｂｏｒａｔｅｓｈｏｗｔｏｃａｒｒｙｏｕｔｌｉｑｕｉｄｍｅｄｉｕｍｓｃａｌｅｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｆｌｏｗｖａｌｕｅｓａｎｄｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｔｒａｎｓｉｅｎｔｆｌｏｗｖａｌｕｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎꎬｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｇａｓｍｅｄｉｕｍｓｔａｔｕｓｏｆｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｆｌｏｗｒａｔｅａｎｄｈｏｗｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｆｌｏｗｒａｔｅｃｉｌｉｔａｔｅｔｈｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒｓｔｏｍａｋｅｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ.

ｏｆｆｏｕｒｋｉｎｄｓｏｆｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓꎬａｎｄｈｏｗｔｏｓｙｓｔｅｍａｔｉｚｅａｎｄｆｏｒｍｕｌａｔｅｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｆｌｏｗｍｅｔｅｒꎬｗｈｉｃｈｍａｙｆａ￣Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｆｌｏａｔꎻｆｌｏｗｍｅｔｅｒꎻｓｃａｌｅꎻｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎꎻｒａｎｇｅꎻｌｏｓｓｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅ

ＮＩＮＧＸｉｎ￣ｙｕ

　　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ꎬ在工业现场得到广泛的应用ꎮ中国计量科学研究院早期起草了检定规程»ꎬ后期又合并为«转子流量计»ꎬ而最新的检定规程是«ＪＪＧ２５７－２００７浮子流量计»ꎮ浮子流量计一般工作压力不大于０􀆰６ＭＰａꎬ分为:玻璃浮子流量计ꎬ金属管浮子流量计和特种浮子流量计(如医用氧量调量)ꎮ浮子流量计可作为瞬时流量计ꎬ水、气、油均可以设计选用ꎬ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ꎬ用作可视阀门[１]ꎮ

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ꎬ当被测流体自锥管下端流入流量计时ꎬ由于流体的作用ꎬ浮子上下端面产生一差压ꎬ该差压即为浮子的上升力ꎮ当差压值大于浸在流体中浮子的重量时ꎬ浮子开始上升ꎮ随着浮子的上升ꎬ浮子最大外径与锥管之间的环形面积逐渐增大ꎬ流体的流速则相应下降ꎬ作用在浮子上的上升力逐渐减小ꎬ直至上升力等于浸在流体中的浮子的重量时ꎬ浮子便稳定在某一高度上ꎮ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]ꎮ结构如图１所示ꎮ

«玻璃转子流量计检定规程»和«金属管转子流量计

１　结构和原理

　收稿日期:２０１８－１２－０３

　作者简介:宁新宇(１９６７－)ꎬ女ꎬ２０１１年毕业于高等教育自学考试吉林大学计算机应用软件专业ꎬ工程师ꎮ

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南　方　金　属ＳＯＵＴＨＥＲＮＭＥＴＡＬＳ

２０１９年第２期　　

表明ꎬ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ꎬ当雷诺数ＲｅＤ大于某一个临界数以后ꎬ流量系数α将趋于一个常数:有些资料中提及ꎬ如果锥半角足够小ꎬ则可忽略二次项进行简化计算ꎬ这种方法是不严谨的ꎬ计算误差大于１０％ꎬ远远超出了误差范图１　浮子流量计结构示意

ｖ＝

１Ｃ×２Ｖｆ×ｇＡ×ｆ×(ｑρ

ρｆ－ρ)

ｖ式中ꎬｖ为流体通过环隙面积的平均流速＝Ａ×ｖ

ꎬＣ为阻力系数(常数)ꎬＶｆ为浮子的体积ꎬρｆ为浮子的材料密度ꎬρ为流体介质的密度ꎬｇ为重力加速度ꎬＡｆ为浮子的迎流面积ꎮ由公式可得ꎬ不管浮子流量计的浮子停留在什么位置ꎬ流体流过环隙面积的平均流速ｖ值是没有变化的ꎮＡ是环隙面积大小ꎬ也就是说瞬时体积流量ｑｖ的大小ꎬ只与Ａ环隙面积大小有关ꎬ瞬时流量越大ꎬ环隙面积越大ꎬ浮子位置越高ꎻ反之瞬时流量越小ꎬ环隙面积越小ꎬ浮子位置越低[３－４]ꎮ

Ａ＝π

×(Ｄ２－ＤＤ４

２ｆ)Ａ＝π×(Ｄ２＝Ｄ２

ｆ

＋ｈ×ｔａｎｆｑ×ｈ×ｔａｎφ＋ｈφ２×ｔａｎφ２)

ｖ＝Ａ×ｖ＝１Ｃπ×(Ｄｆ×ｈ×ｔａｎφ＋ｈ２×ｔａｎφ２)×

２Ｖｆ×ｇＡ×ｆ×(ρ

ρｆ－ρ)α＝

１Ｃ

ｑｖ２Ｖ＝Ａ×ｖ＝απ×(Ｄｆ×ｈ×ｔａｎφ＋ｈ２×ｔａｎφ２)×

ｆ×ｇＡ×ｆ×(ρ

ρｆ－ρ)ｑｖ式中α为流量系数＝αꎬ×φＫ为锥管夹角×ｈ

ꎬＫ为常数ꎮ当被测介质确定以后ꎬ即介质密度为常数ꎬ瞬时体积流量与浮子的高度之间成线性关系ꎮ而大量的实验

围[５－６]ꎮ

图２　浮子结构和计算

１.２　出厂标定

对于不同的流体ꎬ介质密度不同ꎬ瞬时流量与浮子高度之间的对应关系也不尽相同ꎬ原来的流量刻度就不再适用ꎬ所以浮子流量计应该用实际的流体介质进行标定ꎮ但是ꎬ对于生产厂家而言ꎬ由于出厂标定设备的局限性ꎬ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ꎬ在一般情况下ꎬ大部分生产厂家只能用水或者空气进行标定ꎮ因此ꎬ如果浮子流量计用来测量非标定介质时ꎬ应该对浮子流量计的读数进行修正ꎬ即刻度换算ꎮ１.３　量程换算

当浮子流量计的浮子几何形状一致时ꎬ改变浮子的材料ꎬ就可以改变浮子的密度ꎬ即改变浮子流量计的量程ꎮ浮子材料的密度增加ꎬ浮子流量计的量

程扩大ꎻ密度减小ꎬ则量程缩小ꎮ如果浮子流量计现场应用和出厂标定的浮子材料不同时ꎬ则还需要引入浮子密度的流量修正值ꎬ当然这种情况比较少见ꎬ一般出厂时ꎬ流量计浮子与锥管都已经确定ꎮ

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ꎬ数十元的制造成本ꎬ有些使用场合甚至可以免维护ꎬ可用于低雷诺数的测量场合ꎬ适用于小管径和低

总第２２７期　　　　

宁新宇:浮子流量计的设计与应用

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流速ꎮ压力损失小ꎬ对上游直管段要求比较低ꎬ有较宽的流量范围ꎬ量程比一般为１０∶１ꎬ双浮子结构的量程比甚至可以达到５０∶１ꎮ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ꎬ目测浮子停留位置即可ꎬ而金属管浮子流量计往往测量高温、高压、危险性流体ꎬ不能用人眼来观察浮子位置ꎬ采用了磁感应显示机构ꎮ

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ꎮ该气体的标况瞬时流量直接看标定好的刻度线ꎬ气体的工况瞬时流量通过上述公式计算后得到ꎮ

２)不同气体

ρ１现ρ２现

ｑ２现＝ｑ１现×

ρ１现＝ρ１标×

３　刻度换算

Ｐ１现×Ｔ标

(气体１)

Ｐ标×Ｔ１现３.１　液体刻度换算

ｑｖ标＝α标×Ｋ×２Ｖｆ×ｇＡ×ｆ(ρｆ－ρ标)

ｑｖ现＝α现×Ｋ×

×ｇＡ××ｆ当现场介质与标定介质粘度相差不大时×(ρ标２Ｖｆρρｆ－ρ现)

现ꎬ可以

认为α标＝α现进而推导得出:

ｑｖ现＝ｑｖ标×

((ρρｆｆ－ρ现)×

ρ标

当ρ－ρ标)ρ现

现<ρ标时ꎬｑｖ现>ｑｖ标ꎻ当ρ现>ρρ标时ꎬｑｖ现<ｑｖ标ꎻ当ρ现＝标时ꎬｑｖ现＝ｑｖ标ꎻ

当现场介质与标定介质粘度相差比较大时ꎬ则

需要进行现场标定ꎬ而不能认为α标同一种液体还是不同种液体的现场流量和标定流量

＝α现ꎮ不管是换算３.２　ꎬ都可以应用上述计算公式[７]气体刻度换算

ꎮ气体浮子流量计ꎬ厂家一般用标况状态下的空气(２０℃ꎬ１０１􀆰３２５ｋＰａ)检定ꎬ由于气体受工况温度、压力影响比较大ꎬ不仅仅是现场介质与标定介质不同需要转换ꎬ同一种气体在工况和标况之间也需要转换ꎮ由于浮子自身的密度要比气体大很多ꎬ所以可以近似认为ρｆ导出针对气体浮子流量计的简化版－ρ现＝ρｆ－ρ标ꎬ这样公式可以推１)同一种气体

:

ｑｖ现＝ｑｖ标×

ρρ标现

推导过程如下:

ＴＰ现ρＰ现×现＝

Ｔ标

标×ρ标

ρＰＰ现现＝ρ标×

×Ｔ标标ρ×Ｔ现

ｑｖ现＝ｑｖ标×

ρ标

Ｐ现

＝ｑｖ标×Ｐ标×Ｔ现现×Ｔ标

ρ２现＝ρ２标×

ＰＰ２现×Ｔ标

标(气体２)

ρ×Ｔ２现

ρ１现ρ１标Ｐ１现２现＝ρ２标×Ｔ１现××ＰＴ２现

２现带入前面公式中ｑ２现＝ｑ１现×

ρρ１现

ρ２现

＝ｑ１现×ρ１标Ｐ１现２标×

Ｔ１现××ＰＴ２现

气体ａ)２的工况瞬时流量值这样已知气体１的工况瞬时流量就可以求出２现

ꎮ

拓展推导容易得出:ｑ２现＝ｑ１标×

ρ标Ｔ标×Ｐ２现

出气体ｂ)２这样已知气体ρ１标

ρ２现

＝的工况瞬时流量值１ｑ１标的标况瞬时流量就可以求×ρ１标Ｐ标２×

×Ｔ２现

ꎮ

ｑ２标＝ｑ２现×

ＰＰ２现×Ｔ标标ρ×Ｔ２现

ｑ２标＝ｑ１现×ρ１标Ｐ１现×Ｔ２现Ｐ２现×Ｔｑ２标＝ｑ１现×

ρ２标×Ｔ１现×Ｐ２现×

Ｐ标

标×Ｔ２现ｃ)这样已知气体ρ１标２１标的工况瞬时流量就可以求出

×ＰＴ１现１现××ＰＴ２现

２现

×Ｔ标/Ｐ标气体２的标况瞬时流量值ꎮ

拓展推导容易得出:

ｑ２标＝ｑ１标×ρρ１标ＰＴ标２标××Ｐ２现标×Ｔ标

ｑ２标＝ｑ１标×

ρ×Ｔ２现Ｐ标

１的标况瞬时流量就可以求ρ１标Ｔ标２标×

Ｐ×Ｐ２现

标×Ｔ２现

出气体ｄ)２这样已知气体的标况瞬时流量值ꎮ

上述一共有４种计算公式:气体１工况求气体２工况ꎻ气体１标况求气体２工况(常用)ꎻ

气体１工况求气体２标况ꎻ气体１标况求气体２标况(常用)ꎮ

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南　方　金　属ＳＯＵＴＨＥＲＮＭＥＴＡＬＳ

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不难看出ꎬ不同气体的４个经验公式中ꎬ如果稍作转换ꎬ就是同一种气体的计算公式ꎮ由于浮子流量计刻度值都是标况刻度值ꎬ因此上述４个公式中有２个较为常用[８－１０]ꎮ

ｍ３/ｈꎮ

ｑｖ现＝ｑｖ标×

ｑｖ现＝２０００×

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ꎬ假设工况温度和压力与刻度状态相同ꎬ求浮子流量计示值稳定在３０ｍ３/ｈ刻度时ꎬ氧气的工况３　结论

１５６３􀆰６Ｌ/ｈ

(７９２０－１５１２)９９８.２

×＝

(７９２０－９９８.２)１５１２

(ρｆ－ρ现)ρ标

×

(ρｆ－ρ标)ρ现

从浮子流量计的结构原理、应用特点、刻度转换瞬时流量为多少?

分析可得ꎬ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ꎬ因此应用如下公式:

ｑ２现＝ｑ１标×

ρρ１标Ｐ标×Ｔ标空气标况密度为１􀆰２０５２标×

Ｔ２现

标ρｍ３度为１􀆰３３１ｍ３/ｈꎬ工况温度和压力相同可以消去/ｈꎬ×ρＰ２现

１２标氧气标况密因此氧气的瞬时体积流量为:

ꎬ

ｑ氧气＝ｑ空气×

１.２０５＝２８􀆰５０ｍ３命题２:气体浮子流量计测量压缩空气的流量１.３３１

/ｈꎬ压力表０􀆰２５ＭＰａꎬ温度２８℃ꎬ浮子流量计示值稳定在２ｍ３

分析可得/ｈ刻度时ꎬ命题是气体ꎬ工况瞬时流量为多少１的标况体积流量求气

?

体２的工况体积流量值ꎬ因此应用如下公式:

ｑ２现＝ｑ１标×

ρρ１标Ｐ标ρ２标×

Ｔ×ＰＴ２现

标×２现

１标和ρ＝２标由于是同一种介质空气ꎬ可以消去ꎮｑ压缩空气ｑ空气(０􀆰１０１０􀆰×

１０１３２５３２５＋０􀆰×１􀆰０８９ｍ３

/ｈ

２５)(２８􀆰×０(２０􀆰＋２７３􀆰０＋１５)

２７３􀆰１５)

＝

命题３:一台用水标定的液体浮子流量计ꎬ测量

ꎬ不考虑粘度对液体流量的影响ꎬ计算浮子流量计浮子稳定在２０００Ｌ/ｈ时的体积流量为多少?已知浮子材料为不锈钢ꎬ密度７９２０ｍ３介质水密度９９８􀆰２ｍ３/ｈꎬ被测介质密度/ｈꎬ１检定

５１２三个方面介绍了浮子流量计的设计过程和应用ꎮ详细阐述了如何进行液体和气体介质的换算计算ꎬ将浮子流量计的应用系统化ꎬ公式化ꎮ参考文献

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