轉(zhuǎn)子流量計(jì)應(yīng)用技術(shù)研究

李麗敏

【摘 要】本文在分析轉(zhuǎn)子流量計(jì)結(jié)構(gòu)和原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合其技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用需求，從流量計(jì)算、量值修正以及流量計(jì)技術(shù)選型和安裝要求等方面進(jìn)行了較為系統(tǒng)的論述和研究。希望能為廣大計(jì)量工作者更好的掌握轉(zhuǎn)子流量計(jì)應(yīng)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的準(zhǔn)確測(cè)量提供幫助。

【關(guān)鍵詞】轉(zhuǎn)子流量計(jì)；應(yīng)用；技術(shù)

【Abstract】In this paper， based on the analysis of the structure and principle of rotameter， combined with its technical characteristics and application requirements， from the flow calculation， value correction and flowmeter technology selection and installation requirements and so on a systematic discussion and research. Hopes to better grasp the rotameter used by workers in the general measurement technique， help realize accurate measurement of the flow.

【Key words】Rotometer； Using； Technology

0 引言

轉(zhuǎn)子流量計(jì)是最常用的節(jié)流式流量計(jì)之一，具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、測(cè)量范圍寬（量程比可達(dá)10：1）、測(cè)量精確度較高（誤差±5%左右）、示值直觀、維護(hù)方便、壓損小等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代生活和工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的計(jì)量器具。

在計(jì)量技術(shù)水平日益發(fā)展、測(cè)量精度需求不斷提高的今天，計(jì)量工作者只有全面了解轉(zhuǎn)子流量計(jì)的結(jié)構(gòu)原理、流量計(jì)算、量值影響因素與修正方法、以及流量計(jì)的選型、安裝要求，才能選出最符合需求的計(jì)量儀表，實(shí)現(xiàn)最佳測(cè)量效果。作者希望本文給計(jì)量工作者帶來些許幫助。

1 轉(zhuǎn)子流量計(jì)結(jié)構(gòu)原理簡析

1.1 結(jié)構(gòu)分析

轉(zhuǎn)子流量計(jì)由兩部件組成，一是從下向上逐漸擴(kuò)張的錐形管，二是置于錐形管中，可沿管中心線上下移動(dòng)、密度比流體稍大的轉(zhuǎn)子（圖1 轉(zhuǎn)子流量計(jì)原理圖）。

錐形管由玻璃、塑料或金屬材質(zhì)制成。玻璃或塑料材質(zhì)的錐形管上刻有流量刻度，透過錐管可看到透明流體中轉(zhuǎn)子的位置及所對(duì)應(yīng)的刻度值；金屬材質(zhì)錐形管中轉(zhuǎn)子位置通過磁性耦合等方式傳遞管外，在面板上顯示量值。

1.2 工作原理

當(dāng)測(cè)量流體的流量時(shí)，流體從錐形管下端流入沖擊轉(zhuǎn)子，對(duì)它產(chǎn)生一個(gè)作用力，力的大小隨流量大小而變化；當(dāng)流量足夠大時(shí)，所產(chǎn)生作用力將轉(zhuǎn)子托起，使之升高；流體經(jīng)轉(zhuǎn)子與錐形管壁間的環(huán)形斷面從上端流出。當(dāng)流體對(duì)轉(zhuǎn)子的作用力等于轉(zhuǎn)子重量時(shí)，轉(zhuǎn)子因受力平衡而停留在某一位置；這個(gè)位置與流量有相互對(duì)應(yīng)的關(guān)系，據(jù)此位置，即可求得流量值。

1.3 流量計(jì)算

流量計(jì)轉(zhuǎn)子在錐形管中受三個(gè)力：重力、動(dòng)壓力和浮力，三力平衡時(shí)，轉(zhuǎn)子重力=動(dòng)壓力+浮力。當(dāng)流速變大或變小時(shí)，轉(zhuǎn)子將向上或向下移動(dòng)，流體流動(dòng)的截面積也發(fā)生變化，直至達(dá)到平衡時(shí)對(duì)應(yīng)的流速，轉(zhuǎn)子在新的位置上穩(wěn)定。

因此，轉(zhuǎn)子穩(wěn)定時(shí)受力關(guān)系公式如下：

2 測(cè)量值的流體相關(guān)性修正

2.1 測(cè)量值修正分析

從式（4）可知，被測(cè)流體的密度不同，流量大小與轉(zhuǎn)子高度之間的對(duì)用關(guān)系也不同。因受標(biāo)定設(shè)備的限制，生產(chǎn)廠商不可能對(duì)所有流量計(jì)都做實(shí)液標(biāo)定，故測(cè)量非標(biāo)定介質(zhì)時(shí)，應(yīng)對(duì)讀出的測(cè)量值進(jìn)行修正，以保證精確度。

對(duì)于液體，其密度為常數(shù)，只需修正被測(cè)液體和標(biāo)定液體不同造成的影響即可；而氣體因具有可壓縮性，還應(yīng)考慮標(biāo)定狀態(tài)和實(shí)際狀態(tài)不同時(shí)溫度和壓力的影響。

通常，標(biāo)定狀態(tài)默認(rèn)為：溫度T=293.16K，絕對(duì)壓力p=101325Pa。根據(jù)流量計(jì)算公式，進(jìn)行如下分析：

一方面，設(shè)定在標(biāo)定狀態(tài)下，測(cè)量標(biāo)定流體的流量公式為：

2.2 流體密度修正

2.2.1 液體流量的測(cè)量值修正

2.2.2 氣體流量的測(cè)量值修正

測(cè)量非標(biāo)定狀態(tài)下的空氣流量時(shí)，可直接使用式（9）計(jì)算。但ρ為被測(cè)氣體在工作狀態(tài)下的密度，實(shí)際使用起來較為不便。為此，可以將流體密度和所處狀態(tài)分開修正，即先在標(biāo)定狀態(tài)下對(duì)被測(cè)流體的密度進(jìn)行修正，然后再進(jìn)行狀態(tài)修正。最后的修正公式為：

2.3 流量系數(shù)修正

2.3.1 流量系數(shù)與轉(zhuǎn)子形狀的相關(guān)性

由式（4）可以看出，流量系數(shù)也是影響測(cè)定結(jié)果的一個(gè)重要參數(shù)。它因轉(zhuǎn)子的形狀不同而有所不同。雖然轉(zhuǎn)子形狀是制造廠按儀表結(jié)構(gòu)和流量測(cè)量范圍選擇合適形狀而設(shè)計(jì)的，不屬于使用者考慮的范疇，但使用者應(yīng)了解轉(zhuǎn)子形狀與測(cè)量值準(zhǔn)確程度的關(guān)系。

一般情況而言，測(cè)量同種流體時(shí)，哪種形狀的轉(zhuǎn)子在錐形管中的高度越高，則使用這種轉(zhuǎn)子的流量計(jì)的流量系數(shù)就越小，其測(cè)量精度就越高?？筛鶕?jù)這一特點(diǎn)，選擇更為適合自身需求的轉(zhuǎn)子流量計(jì)。

2.3.2 流量系數(shù)與雷諾數(shù)的相關(guān)性

當(dāng)流量計(jì)的轉(zhuǎn)子和結(jié)構(gòu)一定時(shí)，流量系數(shù)主要受雷諾數(shù)Re影響。當(dāng)雷諾數(shù)Re較小時(shí)，流量系數(shù)隨雷諾數(shù)Re變化而變化，此時(shí)需要對(duì)進(jìn)行關(guān)于流量系數(shù)的修正（見式7）；當(dāng)雷諾數(shù)達(dá)到一定值Remin（臨界雷諾數(shù)）后，流量系數(shù)基本保持平穩(wěn)，可視為常數(shù)，不需做關(guān)于流量系數(shù)的修正計(jì)算。不同的流量計(jì)很難找到一個(gè)通用的理論公式來描述流量系數(shù)和雷諾數(shù)的關(guān)系。

由于流體的多樣性和環(huán)境的復(fù)雜性，流量系數(shù)修正存在諸多困難。如果需要進(jìn)行非常精確的計(jì)量，使用者可讓制造商用實(shí)際流體對(duì)流量計(jì)刻度進(jìn)行校準(zhǔn)，如此可直接得到工作環(huán)境下的真實(shí)量值，不必再進(jìn)行各種修正。

3 選型與安裝技術(shù)分析

3.1 轉(zhuǎn)子流量計(jì)的種類

按錐形管材質(zhì)的不同，大體可分三類。其中：玻璃管轉(zhuǎn)子流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，易制成防腐蝕性儀表，還具有透明度高、讀數(shù)直觀、不易破裂、重量輕、壽命長、安裝連接方便等優(yōu)點(diǎn)。

塑料管轉(zhuǎn)子流量計(jì)則具有體積小、重量輕、錐管不易破碎、耐腐蝕等特點(diǎn)。

金屬管浮子流量計(jì)可測(cè)量液體、氣體流量，特別適宜低流速小流量的介質(zhì)測(cè)量，可提供瞬時(shí)流量、累積流量顯示，或通過輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)流量指示、積算、記錄、控制和報(bào)警等功能。

3.2 選型分析

為保證測(cè)量數(shù)據(jù)的精度，使用者應(yīng)根據(jù)安裝環(huán)境、流體物理和化學(xué)特性等因素，選擇流量儀表。

（1）若流體為中小流量，壓力小于1MPa，溫度低于100℃，透明無毒，無燃燒爆炸危險(xiǎn)，對(duì)玻璃無腐蝕無粘附，一般可采用玻璃管轉(zhuǎn)子流量計(jì)。

（2）在空間相對(duì)較小，撐重力弱的管路環(huán)境，流體為中小流量、壓力較小、溫度較低，可選用塑料管轉(zhuǎn)子流量計(jì)。

（3）若流體為中小流量、易汽化（或易凝結(jié)）、有毒易燃易爆，不含磁性物質(zhì)、纖維和磨損物質(zhì)，對(duì)不銹鋼無腐蝕性，可選普通型金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)；若流體有腐蝕性，應(yīng)采用防腐型金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)；若流體易結(jié)晶或汽化或高粘度，應(yīng)選用帶夾套并帶伴熱或冷卻接口的金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)。

在高溫或高寒、高壓、有毒環(huán)境，應(yīng)選用具遠(yuǎn)傳信息功能的金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)。

（4）若流體壓力不穩(wěn)定，尤其用于氣體測(cè)量時(shí)，應(yīng)選具阻尼結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子流量計(jì)。

3.3 安裝技術(shù)要求

正確安裝是流量計(jì)正常工作、準(zhǔn)確測(cè)量的必要條件。一般應(yīng)遵循如下要求：

（1）轉(zhuǎn)子流量計(jì)須垂直安裝，流體自下而上流過流量計(jì)，垂直度優(yōu)于2°。

（2）進(jìn)口應(yīng)有5倍管道直徑以上的直管段，出口應(yīng)有250mm直管段。

（3）安裝位置適當(dāng)加裝管道支撐。

（4）流量計(jì)旁應(yīng)加裝旁路管道和旁路閥，在下游安裝單向閥。

（5）測(cè)量流體若為臟污介質(zhì)或含有固體雜質(zhì)，須在進(jìn)口處加裝過濾器和定期清洗裝置。

（6）測(cè)量流體中若含有鐵磁性物質(zhì)，應(yīng)安裝磁過濾器。

（7）帶液晶或鋰電池供電的流量計(jì)盡量避免陽光直射和高溫環(huán)境（≥65℃）。

（8）測(cè)量氣體的工作壓力應(yīng)不小于流量計(jì)壓損的5倍。

4 總結(jié)

轉(zhuǎn)子流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，原理亦不復(fù)雜，但是，由于流量計(jì)量特性與流體屬性的相關(guān)性、以及流體物理性質(zhì)的千差萬別，使得流量計(jì)量技術(shù)應(yīng)用變得非常復(fù)雜。不僅流體存在黏度的差異，而且氣體類流體的可壓縮性及熱膨脹性，更加大了流體測(cè)量的難度。因此，本文只是作者一些經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí)和技術(shù)分析的歸納整理，有關(guān)更加深入的研究，期待眾多的流體計(jì)量科研人員提供更有價(jià)值的真知灼見。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]