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轉子流量計結構原理、流量計算和選型安裝論述

發布日期：2017-08-15 來源：作者：瀏覽次數：

【導讀】：本文在分析轉子流量計結構和原理的基礎上，結合其技術特點和應用需求，從流量計算、量值修正以及流量計技術選型和安裝要求等方面進行了較為系統的論述和研究。......

【摘要】本文在分析轉子流量計結構和原理(li)的(de)基礎上，結合其技(ji)術(shu)特(te)點和應用需(xu)求，從流量(liang)(liang)(liang)計算、量(liang)(liang)(liang)值修正以及流量(liang)(liang)(liang)計技(ji)術(shu)選型和安裝要(yao)求等方面進(jin)行了較為系統的(de)論(lun)述和研(yan)究。希(xi)望能(neng)為廣大計量(liang)(liang)(liang)工作者(zhe)更(geng)好的(de)掌握轉子流量(liang)(liang)(liang)計應用技(ji)術(shu)，實現對流量(liang)(liang)(liang)的(de)準確測量(liang)(liang)(liang)提供幫助。

0 引言

轉子流量計是非常常用的節流式流量計之一，具有結構簡單、制造容易、測量范圍寬 ( 量程比可達 10:1) 、測量精確度較高 ( 誤差 ±5％左右 ) 、示值直觀、維護方便、壓損小等優點，是現代生活和工業生產中應用非常廣泛的計量器具。

在計量技術水平日益發展、測量精度需求不斷提高的今天，計量工作者只有全面了解轉子流量計的結構原理、流量計算、量值影響因素與修正方法、以及流量計的選型、安裝要求，才能選出非常符合需求的計量儀表，實現非常佳測量效果。作者希望本文給計量工作者帶來些許幫助。

1 轉子流量計結構原理簡析

1.1 結構分析

轉子流量計由兩部件組成，一是從下向上逐漸擴張的錐形管，二是置于錐形管中，可沿管中心線上下移動、密度比流體稍大的轉子（圖1 轉子流量計原理圖）。錐形管由玻璃、塑料或金屬材質制成。玻璃或塑料材質的錐形管上刻有流量刻度，透過錐管可看到透明流體中轉子的位置及所對應的刻度值；金屬材質錐形管中轉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

當測量流體的流量時，流體從錐形管下端流入沖擊轉子，對它產生一個作用力，力的大小隨流量大小而變化；當流量足夠大時，所產生作用力將轉子托起，使之升高；流體經轉子與錐形管壁間的環形斷面從上端流出。當流體對轉子的作用力等于轉子重量時，轉子因受力平衡而停留在某一位置；這個位置與流量有相互對應的關系，據此位置，即可求得流量值。

1.3 流量計算

流量計轉子在錐形管中受三個力：重力、動壓力和浮力，三力平衡時，轉子重力 = 動壓力 + 浮力。當流速變大或變小時，轉子將向上或向下移動，流體流動的截面積也發生變化，直至達到平衡時對應的流速，轉子在新的位置上穩定。因此，轉子穩定時受力關系公式如下：

V （ ρ t －ρ f ） g＝△p · A （ 1 ）

其中： ρ t - 轉子密度； ρ f - 流體密度； g- 重力加速度； V- 轉子體積；△p- 轉子前后壓差； A- 轉子非常大截面積。

結合公式（ 1 ），并參照孔板流量計流量與節流壓差間的關系方程式：

【公式1】

得轉子流量計流量公式：

【公式2】

其中： Q v - 流量值； a 0 - 流量系數（與轉子形狀、流體狀態、流量計結

構和流體物理性質等因素有關，只能由實驗來確定）； A 0 - 環隙面積，對應于轉子高度 h ；近似有： A 0 =ch ；系數 c 與轉子和錐形管的幾何形狀及尺寸有關； ρ t - 轉子密度； ρ f —流體密度； A t - 轉子非常大截面積。

流量方程式可寫成：

【公式3】

由公式（ 4 ）可知，轉子的停浮高度 h 與流量 q v 成對應關系；根據高度的不同來標刻流量值，即可在實際應用中即時讀取流量值。

2 測量值的流體相關性修正

2.1 測量值修正分析

從式（ 4 ）可知，被測流體的密度不同，流量大小與轉子高度之間的對用關系也不同。因受標定設備的限制，生產廠商不可能對所有流量計都做實液標定，故測量非標定介質時，應對讀出的測量值進行修正，以保證精確度。

對于液體，其密度為常數，只需修正被測液體和標定液體不同造成的影響即可；而氣體因具有可壓縮性，還應考慮標定狀態和實際狀態不同時溫度和壓力的影響。

通常，標定狀態默認為：溫度 T=293.16K ，絕對壓力 p=101325Pa 。根據流量計算公式，進行如下分析：

一方面，設定在標定狀態下，測量標定流體的流量公式為：

式中： Q v0 - 標定狀態下標定流體的流量示值； a 0 - 標定狀態標定流體的流量系數； ρ 0 - 流體在標定狀態下的密度。

另一方面，設定流量計在工作狀態下，測量被測流體的流量公式為：

式中： Q v - 工作狀態下被測流體的流量示值； a- 工作狀態被測流體的流量系數； ρ- 流體在工作狀態下的密度。

由式（ 5 ）和式（ 6 ）可以看出，在實際工作狀態下，被測流體的實際流量為 q v ，但轉子在高度 h 處，轉子流量計的顯示仍然是 q v0 。比較式（ 5 ）和式（ 6 ），可以得出 Q v 和 Q v0 之間的關系，即流量修正公式為：

實驗表明，流量系數 a 與雷諾數 Re 和流量計結構有關，當被測流體的黏度與標定流體的黏度相差不大時，或在流量系數 a 為常數的流量范圍內，可不考慮 a 的影響，即可以認為 a＝a 0 ，所以（ 7 ）式可以簡化為：

若被測流體的黏度相對標定流體的黏度相差較大，則應考慮黏度

差異對實際流量系數 a 與標定流量系數 a 0 間的差異，參照式（ 8 ）進行

修正或進行實際標定，不能簡單地認為 a＝a 0 。

2.2 流體密度修正

2.2.1 液體流量的測量值修正

流量計對液態類流體的測量示數通常采用水為參照流體，在標定狀態下進行標定。實際測量非水液體流量時，只需修正被測液體和標定液體（水）之間密度差異而造成的影響，即可按（ 8 ）式進行修正換算。此時， ρ 0 為標定流體的密度， ρ 為被測流體的密度。

2.2.2 氣體流量的測量值修正

流量計對氣態類流體的測量示數采用空氣為參照物，在標定狀態下進行標定。由于氣體的密度受溫度、壓力變化的影響較大，故不僅應隨著被測氣體與標定氣體之間的密度不同進行換算，而且要隨工作狀態時溫度和壓力與標定狀態的不同進行修正換算。為簡化氣體流量值的修正，一般可以忽略黏度對流量系數的影響，而且，對于氣體來說，由于 ρ t ＞＞ρ 0 ， ρ t ＞＞ρ ，則由（ 8 ）式可得：

測量非標定狀態下的空氣流量時，可直接使用式（ 9 ）計算。但 ρ 為被測氣體在工作狀態下的密度，實際使用起來較為不便。為此，可以將流體密度和所處狀態分開修正，即先在標定狀態下對被測流體的密度進行修正，然后再進行狀態修正。非常后的修正公式為：

其中： p 0 - 標定狀態下的絕對壓力； p- 工作狀態下的絕對壓力； T 0 -標定狀態下的絕對溫度； T- 工作狀態下的絕對溫度； ρ′- 被測氣體在標定狀態下的密度。

2.3 流量系數修正

2.3.1 流量系數與轉子形狀的相關性

由式 (4) 可以看出，流量系數也是影響測定結果的一個重要參數。它因轉子的形狀不同而有所不同。雖然轉子形狀是制造廠按儀表結構和流量測量范圍選擇合適形狀而設計的，不屬于使用者考慮的范疇，但使用者應了解轉子形狀與測量值準確程度的關系。一般情況而言，測量同種流體時，哪種形狀的轉子在錐形管中的高度越高，則使用這種轉子的流量計的流量系數就越小，其測量精度就越高。可根據這一特點，選擇更為適合自身需求的轉子流量計。

2.3.2 流量系數與雷諾數的相關性

當流量計的轉子和結構一定時，流量系數主要受雷諾數 Re 影響。當雷諾數 Re 較小時，流量系數隨雷諾數 Re 變化而變化，此時需要對進行關于流量系數的修正（見式 7 ）；當雷諾數達到一定值 Re min （臨界雷諾數）后，流量系數基本保持平穩，可視為常數，不需做關于流量系數的修正計算。不同的流量計很難找到一個通用的理論公式來描述流量系數和雷諾數的關系。

由于流體的多樣性和環境的復雜性，流量系數修正存在諸多困難。如果需要進行非常精確的計量，使用者可讓制造商用實際流體對流量計刻度進行校準，如此可直接得到工作環境下的真實量值，不必再進行各種修正。

3 選型與安裝技術分析

3.1 轉子流量計的種類

按錐形管材質的不同，大體可分三類。其中：玻璃管轉子流量計結構簡單，成本低，易制成防腐蝕性儀表，還具有透明度高、讀數直觀、不易破裂、重量輕、壽命長、安裝連接方便等優點。塑料管轉子流量計則具有體積小、重量輕、錐管不易破碎、耐腐蝕等特點。

金屬管浮子流量計可測量液體、氣體流量，特別適宜低流速小流量的介質測量，可提供瞬時流量、累積流量顯示，或通過輸出標準信號，實現流量指示、積算、記錄、控制和報警等功能。

3.2 選型分析

為保證測量數據的精度，使用者應根據安裝環境、流體物理和化學特性等因素，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，對玻璃無腐蝕無粘附，一般可采用玻璃管轉子流量計。

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

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

在高溫或高寒、高壓、有毒環境，應選用具遠傳信息功能的金屬管

轉子流量計。

（ 4 ）若流體壓力不穩定，尤其用于氣體測量時，應選具阻尼結構的轉子流量計。

3.3 安裝技術要求

正確安裝是流量計正常工作、準確測量的必要條件。一般應遵循如下要求：

（ 1 ）轉子流量計須垂直安裝，流體自下而上流過流量計 , 垂直度優于 2° 。

（ 2 ）進口應有 5 倍管道直徑以上的直管段，出口應有 250mm 直段。

（ 3 ）安裝位置適當加裝管道支撐。

（ 4 ）流量計旁應加裝旁路管道和旁路閥，在下游安裝單向閥。

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

（ 6 ）測量流體中若含有鐵磁性物質，應安裝磁過濾器。

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

（ 8 ）測量氣體的工作壓力應不小于流量計壓損的 5倍。

4 總結

轉子流量計結構簡單，原理亦不復雜，但是，由于流量計量特性與流體屬性的相關性、以及流體物理性質的千差萬別，使得流量計量技術應用變得非常復雜。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，更加大了流體測量的難度。因此，本文只是作者一些經驗認識和技術分析的歸納整理，有關更加深入的研究，期待眾多的流體計量科研人員提供更有價值的真知灼見。

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