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玻璃转子流量计的流量计算公式和结构原理

2018-07-05    来源:红旗仪表(江苏)有限公司

浮子流量计又名转子流量计(或面积流量计)。与节流变压降流量计不同,玻璃转子流量计在测量过程中,始终保持节流件(浮子)前后的压降不变,而是通过改变流通面积来改变流量的仪表,所以玻璃转子流量计也称恒压降流量计。
玻璃转子流量计具有悠久的历史,由于它具有结构简单、刻度直观、使用维护方便、压损小而恒定等优点,所以被广泛应用于工业流量测量领域。早在20世纪初,世界上就已经出现了玻璃转子流量计产品,30年代有较大发展,50年代在性能和品种上有很大提高。我国于20世纪50年代后期开始生产玻璃转子流量计,60年代,国内曾组织过全国性的玻璃转子流量计的研究工作,在统一设计,统一标准和试验研究方面做了大量工作。其后又先后颁布了《玻璃转子流量计试行检定规程》JJG257-1981,原机械工业部专业标准《玻璃浮子流量计》ZBY138-1983,《金属管转子流量计试行检定规程》JJG132-1987以及代替前面两个试行检定规程的《转子流量计检定规程》JJG257-1994等技术规范,为浮子流量计的正确使用,准确可靠地工作提供了技术保证。发展到现在,浮子流量计在流量测量领域中无论是销售金额还是使用台套数都己占有相当比例。
玻璃转子流量计按其制造材料的不同,可分为玻璃转子流量计和金属管浮子流量计两大类。玻璃浮子流量计结构简单,浮子的位置清晰可见,刻度直观,成本低廉,一般只用于常温、常压下透明介质的流量测量。这种流量计只有就地指示,不能远传流量信号,多用于工业原料的配比计量。金属管浮子流量计由于采用金属锥管,流量计工作时无法直接看到浮子的位置和工作情况,需要用间接的方法给出浮子的位置,因此按其传输信号的方式不同,金属管浮子流量计又可分为远传型(电远传和气远传)和就地指示型两种。这种流量计多用于高温、高压介质,不透明及腐蚀性介质的流量测量。除了能用作工业原料配比计量外,还能输出标准信号与记录仪和显示器配套使用计量累积流量。
1.1 结构原理
玻璃转子流量计结构主要由一个向上扩张的锥形管和一个置于锥形管中可以上下自由移动的浮子组成,如图5-1所示。流量计两端用法兰连接或螺纹连接的方式垂直地安装在测量管路上,使流体自下而上地流过流量计,推动浮子。在稳定工况下,浮子悬浮的高度h与通过流量计的体积流量qv之间有一定的比例关系。所以,可以根据浮子的位置直接读出通过流量计的流量值qv,或通过电远传或气远传的方式将流量信号(即浮子的位置信号)远传给二次仪表显示和记录。
为了使浮子在锥形管中移动时不致碰到管壁,通常采用两种方法。一是在浮子上开几条斜的槽沟,流体流经浮子时,作用在斜槽上的力使浮子绕流束中心旋转以保持浮子工作时据中和稳定。早期生产的流量计一般采用这种方式,由于流量计工作时浮子是转动的,故称转子流量计。第二种方法是在浮子中心加一导向杆或使用带棱筋的玻璃锥管起导向作用,使浮子只能在锥形管中心线上下运动,保持浮子工作稳定。这种流量计在工作时浮子并不旋转,但习惯上还称转子流量计。直到现在,玻璃转子流量计的名称还被广泛使用。现代工业用较大口径的浮子流量计一般都用这种形式。
玻璃转子流量计垂直地安装在测量管路中,当流体沿流量计的锥形管自下而上地通过浮子而使浮子稳定地悬浮在某一高度时,浮子主要受三个力的作用而处于平衡状态:
1.迎面差压阻力Fl
流体流经浮子时,由于节流作用,使得浮子上下游产生差压Δp,该差压的大小和流体在浮子与锥形管壁间环形通道中的流速平方成正比,即
所以,迎面差压阻力为
2.浮子受到的浮力F2
3.浮子自重W
式中,Af是浮子迎流面积;C是阻力系数;ρ是流体介质密度;γ是流体介质重度;u是流体速度;Vf,γf是浮子体积和重度。
显然,当浮子在流体中处于平衡时,有
不管浮子停留在什么位置,流体流过环形面积的平均流速u是一个常数。由qv=Au可知,在u为常数的情况下,体积流量qv与流通面积A成正比。
环形流通面积A由浮子和锥形管尺寸确定,即
式中,D是浮于所在处锥管内径;Df 是浮子的最大直径。
设锥管的锥角为φ,零刻度处锥管内径为Df,则在浮子高度为h处
如果锥管的锥角φ很小,使得2Df>>2htanφ,则可将(2htanφ)2一项忽略不计。这样,流通面积A可以近似地表示为
所以,体积流量为
式中,是玻璃转子流量计的流量系数。
对于一定的流量计和一定的流体,式(5-3)中的Df,Af、Vf、ρf、φ和ρ等均为常数,所以,只要保持流量系数α为常数,则流量qv与浮子高度h之间就存在一一对应的近似线性关系。我们可以将这种对应关系直接刻度在流量计的锥管上,根据浮子的高度直接读出流量值。
显然,对于不同的流体,由于密度ρ不同,所以qv与h之间的对应关系也将不同,原来的流量刻度将不再适用。所以原则上,浮子流量计应该用实际流体介质进行标定。
但是,对于玻璃转子流量计的制造厂家来说,由于受到标定设备的限制,不可能对所有的玻璃转子流量计都根据用户的要求进行实液标定,通常只能用水或空气分别对液体和气体玻璃转子流量计进行标定。所以,如果玻璃转子流量计用来测量非标定介质时,应该对玻璃转子流量计的读数进行修正,这就是玻璃转子流量计的刻度换算。

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