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转子流量計结构原理、流量計算和选型安装论述

發布日期:2017-08-15  來源:  作者:  浏覽次數:
【導讀】:本文在分析转子流量計结构和原理的基础上,结合其技术特点和应用需求,从流量計算、量值修正以及流量計技术选型和安装要求等方面进行了较为系统的论述和研究。......

 【摘要】本文在分析转子流量計结构和原理的基础上,结合其技术特点和应用需求,从流量計算、量值修正以及流量計技术选型和安装要求等方面进行了较为系统的论述和研究。 希望能为广大计量工作者更好的掌握转子流量計应用技术,实现对流量的准确测量提供帮助。

 
0 引言
        转子流量計是非常常用的节流式流量計之一,具有结构简单、制造容易、测量范围宽 ( 量程比可达 10:1) 、测量精确度较高 ( 误差 ±5% 左右 ) 、示值直观、维护方便、压损小等优点,是现代生活和工业生产中应用非常广泛的计量器具。
 
        在计量技术水平日益发展、测量精度需求不断提高的今天,计量工作者只有全面了解转子流量計的结构原理、流量計算、量值影响因素与修正方法、以及流量計的选型、安装要求,才能选出非常符合需求的计量仪表,实现非常佳测量效果。 作者希望本文给计量工作者带来些许帮助。
 
1 转子流量計结构原理简析
1.1 结构分析
        转子流量計由两部件组成, 一是从下向上逐渐扩张的锥形管,二是置于锥形管中,可沿管中心线上下移动、密度比流体稍大的转子(图1 转子流量計原理图)。锥形管由玻璃、塑料或金属材质制成。 玻璃或塑料材质的锥形管上刻有流量刻度,透过锥管可看到透明流体中转子的位置及所对应的刻度值; 金属材质锥形管中转子位置通过磁性耦合等方式传递管外,在面板上显示量值。
 
1.2 工作原理
        当测量流体的流量时,流体从锥形管下端流入冲击转子,对它产生一个作用力,力的大小随流量大小而变化;当流量足够大时,所产生作用力将转子托起,使之升高;流体经转子与锥形管壁间的环形断面从上端流出。 当流体对转子的作用力等于转子重量时,转子因受力平衡而停留在某一位置;这个位置与流量有相互对应的关系,据此位置,即可求得流量值。
 
1.3 流量計算
        流量計转子在锥形管中受三个力:重力、动压力和浮力,三力平衡时,转子重力 = 动压力 + 浮力。 当流速变大或变小时,转子将向上或向下移动,流体流动的截面积也发生变化,直至达到平衡时对应的流速,转子在新的位置上稳定。因此,转子稳定时受力关系公式如下:
        V ( ρ t -ρ f ) g=△p · A ( 1 )
        其中: ρ t - 转子密度; ρ f - 流体密度; g-  重力加速度; V- 转子体积;△p- 转子前后压差; A- 转子非常大截面积。
转子流量計原理图
        结合公式( 1 ),并参照孔板流量計流量与节流压差间的关系方程式:
        公式1【公式1】
        得转子流量計流量公式:
        公式2【公式2】
        其中: Q v - 流量值; a 0 - 流量系数(与转子形状、流体状态、流量計结
 
        构和流体物理性质等因素有关, 只能由实验来确定); A 0 - 环隙面积,对应于转子高度 h ;近似有: A 0 =ch ;系数 c 与转子和锥形管的几何形状及尺寸有关; ρ t - 转子密度; ρ f —流体密度; A t - 转子非常大截面积。
 
        流量方程式可写成:公式3【公式3】
 
        由公式( 4 )可知,转子的停浮高度 h 与流量 q v 成对应关系;根据高度的不同来标刻流量值,即可在实际应用中即时读取流量值。
 
2 测量值的流体相关性修正
2.1 测量值修正分析
        从式( 4 )可知,被测流体的密度不同,流量大小与转子高度之间的对用关系也不同。 因受标定设备的限制,生产厂商不可能对所有流量計都做实液标定,故测量非标定介质时,应对读出的测量值进行修正,以保证精确度。
 
        对于液体,其密度为常数,只需修正被测液体和标定液体不同造成的影响即可;而气体因具有可压缩性,还应考虑标定状态和实际状态不同时温度和压力的影响。
 
        通常,标定状态默认为:温度 T=293.16K ,绝对压力 p=101325Pa 。根据流量計算公式,进行如下分析:
        一方面,设定在标定状态下,测量标定流体的流量公式为:
          公式5
        式中: Q v0 - 标定状态下标定流体的流量示值; a 0 - 标定状态标定流体的流量系数; ρ 0 - 流体在标定状态下的密度。
        另一方面,设定流量計在工作状态下,测量被测流体的流量公式为:
         公式6
        式中: Q v - 工作状态下被测流体的流量示值; a- 工作状态被测流体的流量系数; ρ- 流体在工作状态下的密度。
        由式( 5 )和式( 6 )可以看出,在实际工作状态下,被测流体的实际流量为 q v ,但转子在高度 h 处,转子流量計的显示仍然是 q v0 。 比较式( 5 )和式( 6 ),可以得出 Q v 和 Q v0 之间的关系,即流量修正公式为:
           公式7
        实验表明,流量系数 a 与雷诺数 Re 和流量計结构有关,当被测流体的黏度与标定流体的黏度相差不大时,或在流量系数 a 为常数的流量范围内,可不考虑 a 的影响,即可以认为 a=a 0 ,所以( 7 )式可以简化为:
           公式8
        若被测流体的黏度相对标定流体的黏度相差较大,则应考虑黏度
差异对实际流量系数 a 与标定流量系数 a 0 间的差异,参照式( 8 )进行
修正或进行实际标定,不能简单地认为 a=a 0 。
 
2.2 流体密度修正
2.2.1 液体流量的测量值修正
        流量計对液态类流体的测量示数通常采用水为参照流体,在标定状态下进行标定。 实际测量非水液体流量时,只需修正被测液体和标定液体(水)之间密度差异而造成的影响,即可按( 8 )式进行修正换算。此时, ρ 0 为标定流体的密度, ρ 为被测流体的密度。
 
2.2.2 气体流量的测量值修正
        流量計对气态类流体的测量示数采用空气为参照物,在标定状态下进行标定。由于气体的密度受温度、压力变化的影响较大,故不仅应随着被测气体与标定气体之间的密度不同进行换算,而且要随工作状态时温度和压力与标定状态的不同进行修正换算。为简化气体流量值的修正,一般可以忽略黏度对流量系数的影响,而且,对于气体来说,由于 ρ t >>ρ 0 , ρ t >>ρ ,则由( 8 )式可得:
           公式9
        测量非标定状态下的空气流量时,可直接使用式( 9 )计算。但 ρ 为被测气体在工作状态下的密度,实际使用起来较为不便。为此,可以将流体密度和所处状态分开修正,即先在标定状态下对被测流体的密度进行修正,然后再进行状态修正。 非常后的修正公式为:
            公式10
        其中: p 0 - 标定状态下的绝对压力; p- 工作状态下的绝对压力; T 0 -标定状态下的绝对温度; T- 工作状态下的绝对温度; ρ′- 被测气体在标定状态下的密度。
 
2.3 流量系数修正
2.3.1 流量系数与转子形状的相关性
        由式 (4) 可以看出,流量系数也是影响测定结果的一个重要参数。它因转子的形状不同而有所不同。虽然转子形状是制造厂按仪表结构和流量测量范围选择合适形状而设计的, 不属于使用者考虑的范畴,但使用者应了解转子形状与测量值准确程度的关系。一般情况而言,测量同种流体时,哪种形状的转子在锥形管中的高度越高,则使用这种转子的流量計的流量系数就越小,其测量精度就越高。 可根据这一特点,选择更为适合自身需求的转子流量計。
 
2.3.2 流量系数与雷诺数的相关性
        当流量計的转子和结构一定时,流量系数主要受雷诺数 Re 影响。当雷诺数 Re 较小时,流量系数随雷诺数 Re 变化而变化,此时需要对进行关于流量系数的修正(见式 7 );当雷诺数达到一定值 Re min (临界雷诺数)后,流量系数基本保持平稳,可视为常数,不需做关于流量系数的修正计算。不同的流量計很难找到一个通用的理论公式来描述流量系数和雷诺数的关系。
 
        由于流体的多样性和环境的复杂性, 流量系数修正存在诸多困难。 如果需要进行非常精确的计量,使用者可让制造商用实际流体对流量計刻度进行校准,如此可直接得到工作环境下的真实量值,不必再进行各种修正。
 
3 选型与安装技术分析
3.1 转子流量計的种类
        按锥形管材质的不同,大体可分三类。其中:玻璃管转子流量計结构简单,成本低,易制成防腐蚀性仪表,还具有透明度高、读数直观、不易破裂、重量轻、寿命长、安装连接方便等优点。塑料管转子流量計则具有体积小、重量轻、锥管不易破碎、耐腐蚀等特点。
        金属管浮子流量計可测量液体、气体流量,特别适宜低流速小流量的介质测量,可提供瞬时流量、累积流量显示,或通过输出标准信号,实现流量指示、积算、记录、控制和报警等功能。
 
3.2 选型分析
        为保证测量数据的精度,使用者应根据安装环境、流体物理和化学特性等因素,选择流量儀表。
        ( 1 )若流体为中小流量,压力小于 1MPa ,温度低于 100℃ ,透明无毒,无燃烧爆炸危险,对玻璃无腐蚀无粘附,一般可采用玻璃管转子流量計。
        ( 2 )在空间相对较小,撑重力弱的管路环境,流体为中小流量、压力较小、温度较低,可选用塑料管转子流量計。
        ( 3 )若流体为中小流量、易汽化(或易凝结)、有毒易燃易爆,不含磁性物质、纤维和磨损物质,对不锈钢无腐蚀性 , 可选普通型金属管转子流量計;若流体有腐蚀性,应采用防腐型金属管转子流量計;若流体易结晶或汽化或高粘度,应选用带夹套并带伴热或冷却接口的金属管转子流量計。
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
转子流量計。
        ( 4 )若流体压力不稳定,尤其用于气体测量时,应选具阻尼结构的转子流量計。
 
3.3 安装技术要求
        正确安装是流量計正常工作、准确测量的必要条件。 一般应遵循如下要求:
        ( 1 )转子流量計须垂直安装,流体自下而上流过流量計 , 垂直度优于 2° 。
        ( 2 )进口应有 5 倍管道直径以上的直管段,出口应有 250mm 直段。
        ( 3 )安装位置适当加装管道支撑。
        ( 4 )流量計旁应加装旁路管道和旁路阀,在下游安装单向阀。
        ( 5 )测量流体若为脏污介质或含有固体杂质 , 须在进口处加装过滤器和定期清洗装置。
        ( 6 )测量流体中若含有铁磁性物质,应安装磁过滤器。
        ( 7 )带液晶或锂电池供电的流量計尽量避免阳光直射和高温环境( ≥65℃ )。
        ( 8 )测量气体的工作压力应不小于流量計压损的 5倍。
 
4 总结
        转子流量計结构简单,原理亦不复杂,但是,由于流量計量特性与流体属性的相关性、以及流体物理性质的千差万别,使得流量計量技术应用变得非常复杂。 不仅流体存在黏度的差异,而且气体类流体的可压缩性及热膨胀性,更加大了流体测量的难度。因此,本文只是作者一些经验认识和技术分析的归纳整理,有关更加深入的研究,期待众多的流体计量科研人员提供更有价值的真知灼见。

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