浮子流量計的結構分類(lèi)及特點(diǎn)

浮子流量計的基本結構由錐形管和浮子組成。除這兩個(gè)主要部件外，還有基座、襯套及密封填料等組成部分；對于金屬管浮子流量計還有傳感部分和轉換顯示部分。圖5-3所示為浮子流量計的典型結構。根據流量計的類(lèi)型和用途不同，浮子流量計的結構還存在很大差異。尤其是隨著(zhù)微處理機應用的深入發(fā)展，使得傳統的浮子流量計在結構土起了很大的變化，國外已出現了全數字顯示的智能浮子流量計。

根據用戶(hù)的不同用途和使用場(chǎng)合，浮子流量計可以分成很多種類(lèi)型。

 

1.按錐管材料分類(lèi)

 

按錐形管材料可以分成透明錐管浮子流量計和金屬管浮子流量計。

（1）透明錐管浮子流量計

透明錐管材料用得最多的是玻璃，稱(chēng)玻璃浮子流量計。由于玻璃強度低，如果無(wú)導向桿結構，則玻璃錐管容易被擊破，所以為適應各種需要，錐管還有用透明的工程塑料如聚苯乙烯、聚碳酸醋、有機玻璃等材料制成。這些材料不但具有不宜被擊碎的優(yōu)點(diǎn)，還有其他一些優(yōu)點(diǎn)，如聚苯乙烯有一定程度的耐氟氣、氫氟酸的腐蝕等，這些都是玻璃所不具備的。對有特殊要求的，還可有用石英錐管。

錐管的內表面除了光滑的圓錐面外，還可以做成帶導向棱筋或使用三角形截面，如圖5-4所示，這樣做的好處是不僅起到了導向桿的作用，而且使浮子的讀數位置（即最大直徑處）和錐管避面的距離很近，對透明度不高的液體介質(zhì)也可能觀(guān)察到浮子的位置。

（2）金屬錐管浮子流量計

金屬錐管浮子流量計的錐管用金屬制成，與玻璃浮子流量計相比，可用于較高的介質(zhì)溫度和壓力。金屬錐管可以和流量計殼體做成一體結構，也可以做成錐管套入殼體的分離結構，調用不同錐度的錐管就可以改變流量計的規格，比較靈活方便。

 

2.按輸出信號分類(lèi)

 

按流量計輸出信號可以分成就地指示型和遠傳型兩類(lèi)，遠傳型又可分成電遠傳和氣遠傳兩種。

（1）就地指示型浮子流量計

就地指示型浮子流量計主要用在只需現場(chǎng)觀(guān)察流量值，不需記錄、累積和控制的場(chǎng)合。玻璃浮子流量計均屬就地指示型儀表，但也有一些儀表以就地指示為主，裝上電接點(diǎn)開(kāi)關(guān)，作流量上下限報警信號輸出。

部分金屬管浮子流量計也做成就地指示型儀表，它將浮子的位移通過(guò)磁捐合傳出，經(jīng)四連桿機構帶動(dòng)指針指示流量值。壓力高達25-30MPa的吹流型金屬管浮子流量計也是一種就地指示型儀表，它直接從殼體外跟隨浮子移動(dòng)的磁環(huán)位置讀取流量值。

（2）遠傳型浮子流量計

遠傳型浮子流量計一般都是金屬管浮子流量計。儀表的轉換部分將浮子的位移量轉換成電流或電壓等模擬量輸出。圖5-5所示是在就地指示的基礎上，再通過(guò)四連桿機構帶動(dòng)差動(dòng)變壓器，將浮子的位移信號轉換成差動(dòng)變壓器鐵芯的位移，或與差動(dòng)儀配套進(jìn)行流量顯示，或將此差動(dòng)信號轉換成0-10mA或4-40mA電流輸出，與電動(dòng)單元組合儀表配套，實(shí)現流量的指示和控制。也可將這些信號送給計算機，經(jīng)處理以顯示瞬時(shí)流量和累積流量。

當被測流體自下而上流過(guò)錐管時(shí)，浮子升起的高度通過(guò)磁鋼1、2耦合而傳給四連桿機構，經(jīng)四連桿機構9，10，11的調整，使指針12及連桿3具有與流量呈線(xiàn)性的位移，再通過(guò)第二套四連桿機構3，4，5帶動(dòng)鐵芯6相對差動(dòng)變壓器7產(chǎn)生位移，所產(chǎn)生的差動(dòng)電勢經(jīng)過(guò)轉換器8轉換成標準電流信號輸出。

電遠傳浮子流量計又分普通型和防爆型兩種。

氣遠傳浮子流量計與電遠傳浮子流量計的結構相似，只是遠傳信號不用電信號而用20-100kPa的氣壓信號。由于輸出為標準氣壓信號，所以適用于易爆的工藝流程，并可與QDZ氣功單元組合儀表配套使用進(jìn)行流量測量和控制。

 

3.按被測流體分類(lèi)

 

按被測流體可分為液體、氣體和蒸汽用浮子流量計。液體和氣體用浮子流量計，在結構上都是通用的。由于國內專(zhuān)業(yè)標準規定流量上限有系列值，所以同一浮子流量計如果測量液體時(shí)滿(mǎn)足流量系列值，那么測量氣體時(shí)往往不能滿(mǎn)足系列值要求。所以國內產(chǎn)品一般為液體和氣體分別設計錐管和浮子。

測量蒸汽只能用專(zhuān)門(mén)設計的金屬管浮子流量計，住往在浮子的延伸桿上直接裝上阻尼組件以減少浮子的跳動(dòng)。

 

4.按流量計用途分類(lèi)

 

按流量計用途可以分成普通型，防爆型，夾套保溫型，耐腐型和吹流型等幾種。

（1）普通型浮子流量計

應用最為廣泛，約占浮子流量計的90%以上。主要用途是：口徑6-10mm以下的玻璃浮子流量計常用于環(huán)保、分析儀器上作大氣、水等取樣量的測量，電纜中保護用的惰性氣體世漏量的監測等；口徑在15mm以上的玻璃浮子流量計廣泛應用于電力、石化、冶金輕工及醫藥等工業(yè)企業(yè)和公用事業(yè)只需就地指示的場(chǎng)所；金屬管浮子流量計用于工業(yè)企業(yè)中的流程控制系統以及溫度、壓力較高，玻璃浮子流量計不能使用的只需就地指示的場(chǎng)所。

（2）防爆型電遠傳浮子流量計

用于有爆炸性氣體或粉塵時(shí)的場(chǎng)所。這種儀表有隔爆型結構和本質(zhì)安全型結構兩種類(lèi)型。

（3）夾套保溫型浮子流量計

用于需要保溫的場(chǎng)合。當管路中溫度高于室溫的流體因流過(guò)儀表，溫度下降產(chǎn)生凝固或結晶而引起浮子動(dòng)作不良，或因溫度變化而使流體粘度有顯著(zhù)變化影響測量時(shí)，都對流量計有保溫的要求，應選用夾套保溫型浮子流量計。

（4）耐腐型浮子流量計

用于腐蝕性介質(zhì)的流量測量。普通型金屬管浮子流量計由耐酸鋼制成，玻璃浮子流量計與介質(zhì)接觸的零部件大部分由耐酸鋼或工程塑料制成，它們及玻璃錐管等都有一定的耐腐蝕性，但耐腐蝕介質(zhì)的范圍較窄。耐腐型金屬管浮子流量計和耐腐型玻璃浮子流量計與被測介質(zhì)接觸的零部件如支架、浮子、錐管、導桿、基座內腔等都用耐腐蝕性很好的材料如聚囚氟乙烯F4、氟塑料F40、F46等制成，幾乎可耐所有介質(zhì)腐蝕。

（5）吹流型浮子流量計

是一種專(zhuān)門(mén)用途的儀表，常用于測量容器內液位或密度時(shí)，或以差壓法測量管道臟污流體流量時(shí)，測量或控制吹流到容器或差壓引壓管的氣體（或液體）流量O流體一般都為空氣或水。流量一般較低，空氣為20-3000L/h，水為0.3-100L/h，精確度要求也不高。

 

5.按被測流體通過(guò)流量計的量分類(lèi)

 

按被測流體通過(guò)流量計的量可分為全流型和分流型兩類(lèi)。

（1）全流型浮子流量計是被測流體全部流過(guò)流量計的儀表，一般的浮子流量計都是全流型的。

（2）分流型浮子流量計相對于全流型，只有部分被測流體流過(guò)浮子流量計。一般分流型儀表由裝在主管道上的標準孔板（或均速管）和小口徑破璃浮子流量計組合而成，應用于管徑較大，又只需就地指示的場(chǎng)所，價(jià)格低廉，如圖5-6所示。

分流型浮子流量計在結構上分為分離型和一體型兩種。分離型在主管道上裝孔板，用分流管連接到分裝的浮子流量計。主管道通常用于50-300mm的管徑，孔板的直徑比β在O.3-O.7之間，差壓Δp在0.6-10kPa之間，浮子流量計的口徑通常為10-25mm。一體型將孔板和浮子流量計一起組裝在帶有法蘭的短管上，直接裝到待測管道，分別有適用于水平和垂直管道的兩種結構，安裝方便。

還有一種用于清潔流體的稱(chēng)為“雙函道自動(dòng)切換玻璃浮子流量計”一體型分流儀表，在雙浮子的錐形管外，同心地套上透明管組成外函道。在小流量時(shí)，外函道為儀表內閥關(guān)閉，從內函道輕重兩浮子分段讀取流量示值；大流量時(shí)活門(mén)被打開(kāi)，部分流體被外函道分流，仍讀取兩浮子已擴大數倍的流量值，范圍度可擴大到750:1。

 

6.按有無(wú)微處理器分類(lèi)

 

按有無(wú)微處理器可分為傳統型和智能型浮子流量計。

傳統型浮子流量計如前所述，有各種不同類(lèi)型流量計。

智能型浮子流量計采用微處理器控制全數字顯示，具有顯示瞬時(shí)流量、累積流量，標準電信號輸出，報警觸點(diǎn)輸出等功能。其結構原理如圖5-7所示。

當浮子在某一位置平衡時(shí)，焊在浮子殼體內的磁體放射出磁力線(xiàn)，雙霍爾磁場(chǎng)傳感器測量磁場(chǎng)的垂直分量和水平分量，磁場(chǎng)的夾角決定了浮子在錐管中的位置，這種固態(tài)測量系統消除了伴隨常規磁指示而存在的機械遲滯難題。測量結果與磁場(chǎng)標定檢查表和流量數據比較，儲存在微處理器的存儲器中。瞬時(shí)流量用內插法精確導出，微處理器將瞬時(shí)流量轉換成正確的工程單位在液晶板上顯示。必要時(shí)，微處理器還可調整顯示指示和4-20mA輸出，設定報警狀態(tài)等。

流量計前面板的按鈕鍵盤(pán)，可用來(lái)設定報警點(diǎn)，調整累加器零點(diǎn)，選擇瞬時(shí)還是累積顯示，設置顯示單位，進(jìn)行零點(diǎn)、滿(mǎn)度和時(shí)間常數的調整，甚至可重新刻度流量計以適應過(guò)程工況條件的變化。

這種智能浮子流量計口徑為15-150mm，范圍度一般可達10:1，測量精度一般可達±1%FS。

 

7.按與管道連接方式分類(lèi)

 

按與管道的連接方式，玻璃浮子流量計常見(jiàn)的有三種連接方式。

（1）軟管連接方式

常用于口徑10mm以下的儀表和工作壓力較低的場(chǎng)所。

（2）螺紋連接方式

一般用于口徑40mm以下的儀表，使用范圍不太廣。

（3）法蘭連接方式

常用于口徑15-100mm范圍的儀表，應用最為普遍。

金屬管浮子流量計一般都用法蘭連接方式。

 

浮子流量計的特性和特點(diǎn)

 

1 浮子流量計的特性

 

從浮子流量計的流量公式(5-3)可以看出，對于一定的浮子流量計，一定的被測介質(zhì)，有

q_v=αKh （5-16）

式中，K是常數；α是浮子流量計的流量系數。

從式(5-16)可以看出，當被測介質(zhì)確走后，流體密度ρ為常數，體積流量q_v是流量系數α和浮子高度h的函數。所以，討論浮子流量計的特性，主要是討論流量系數α的特性。為了獲得q_v與h之間的線(xiàn)性關(guān)系，人們總希望流量系數α為一常數。

大量的實(shí)驗表明，浮子流量計的流量系數α與浮子的幾何形狀和流動(dòng)雷諾數Re有關(guān)。對于一定的浮子形狀，當雷諾數大于某一界限雷諾數Re_K后，流量系數α將趨于一常數。所以，對于一定形狀的浮子和一定的流體，若實(shí)際雷諾數在界限雷諾數以上，就能使得體積流量q_v和浮子高度h之間基本成線(xiàn)性關(guān)系，上述各種浮子流量計的刻度換算公式可以使用。當實(shí)際雷諾數比界限雷諾數小時(shí)，流量系數α將隨雷諾數變化，使用時(shí)不能忽略由于α變化帶來(lái)的影響。圖5-8為幾種典型浮子的流量系數曲線(xiàn)。

從圖中可以看出，A型浮子的界限雷諾數較大，Re_K約為6000左右，這種浮子的流量系數較大，約為0.96，但不夠穩定，易受粘度影響，多用于口徑、流量較小的玻璃浮于流量計中，由于這種小口徑浮子流量計的雷諾數常處于α的變化范圍，使用時(shí)應考慮粘度的影響；B型浮子的界限雷諾數約為300左右，即在較小的雷諾數下，α已趨于常數，工作比較穩定，但流量系數較小，約為0.76左右；C型浮子的界限雷諾數更低，工作更穩定，在Re_K>40以后，流量系數α已基本趨于常數，但其流量系數更小，約只有0.61左右。B和C兩種浮子一般用于金屬管浮子流量計中。

如果浮子流量計工作在流量系數隨雷諾數變化的范圍內，當被測介質(zhì)的粘度η發(fā)生變化時(shí)，和密度ρ的變化一樣，也將對流量計的示值產(chǎn)生影響，導致測量誤差。即使使用介質(zhì)不變，使用溫度有較大變化時(shí)，也將對示值產(chǎn)生相當的影響。如使用的環(huán)境溫度從5°C升高到40°C，水的運動(dòng)粘度將從1.52′1O^-6m²/s下降到0.66′10^-6m²/s，變化幅度已相當之大。對口徑在15-40mm的玻璃浮子流量計，溫度的影響量（主要是粘度變化的影響）在（0.1%-0.25%）°C范圍內，小口徑玻璃浮子流量計有的高達1%/°C左右，所以，使用中應對粘度η進(jìn)行必要的修正。國內外的流量工作者在這方面也做了一些有益的研究工作，部分廠(chǎng)家對其產(chǎn)品提供有使用粘度的上限值或粘度修正曲線(xiàn)。但目前對浮子流量計粘度修正的研究離實(shí)用的要求還有比較大的距離，因為從理論上，尤其是從流體力學(xué)，深入全面地分析粘度修正還比較困難。

 

2 浮子流量計的特點(diǎn)

 

1）適用于小管徑和低流速

常用浮子流量計口徑在40-50mm以下，最小口徑能做到1.5-4mm。適用于測量低流速小流量。以液體為例，口徑在10mm以下的玻璃浮子流量計，滿(mǎn)度流量的流速只在O.2-O.6m/s之間，甚至低于O.1m/s；金屬管浮子流量計和口徑大于15mm的玻璃浮子流量計的流速稍大，在O.5-1.5m/s之間。

2）可用于低雷諾數

如果選用粘度不敏感形狀的浮子，只要雷諾數大于40或300，浮子流量計的流量系數將不隨雷諾數而變化，流體粘度的變化也不影響流量系數。這比其他類(lèi)型流量計的使用最小雷諾數要低得多。

3）玻璃浮子流量計結構簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，只需就地指示的場(chǎng)合使用方便。缺點(diǎn)是玻璃強度低，易碎。
4）壓力損失較低，破璃浮子流量計的壓力損失一般為2-3kPa，較高者10kPa左右；金屬管浮子流量計一般為4-9kPa，較高者為20kPa左右。

5)對上游直管段的要求較低。

6)有較寬的流量范圍度，一般為10:1，采用特殊結構的浮子流量計流量范圍度可以擴展得很大，如已有的雙函道浮子流量計產(chǎn)品，分別向下限和上限擴展量程，使流量范圍度達到750:1。

7)浮子流量計的應用目前還局限于中小管徑，普通全流型的最大口徑玻璃浮子流量計為100mm，金屬管浮子流量計為150mm。與適用于低流速的優(yōu)點(diǎn)相對應，如果管道內流速較高， 一般要選用比管徑大一檔規格口徑的儀表，用異徑管連接，這樣就增加了管道布置安裝的復雜性。

8）如果使用介質(zhì)和廠(chǎng)家標走介質(zhì)不同，要作流量示值修正，給使用帶來(lái)不便。一般，液體浮子流量計，廠(chǎng)家用20°C、101325Pa的水標定；氣體浮子流量計用20°C、101325Pa的空氣標定。如實(shí)際使用流體的密度、粘度與之不同，流量就要偏離原分度值，就要對它作刻度換算修正，使用時(shí)應加以充分注意。