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浮子流量计工作原理|结构说明|技术换算

作者: 来源: 发布时间:2018-04-19 10:47:35


  流量是工业测量的一个非常重要的测量方面,可以应用于能源的利用、环境的保护、科学实验、航空航天等很多的领域。由于测量原理的不同,流量计一般分为四类:分别是质量流量计、速度式流量计、节流式差压流量计、容积式流量计。浮子流量计属于差压流量计范畴。差压流量计是目前在工业领域应用zui广泛的流量计之一。



 浮子流量计


  浮子流量计使用历史悠久。浮子流量计的测量原理是在测量介质的过程中,始终保持节流件前后的压差不变,通过改变流通面积来改变流过浮子流量计的流量,所以在美国、日本等国家也把浮子流量计叫做变面积流量计(Variable AreaFlowmeter)或面积流量计。浮子流量计的量程比一般可达 10:1,准确度约为±(1~2)%。
 
  浮子流量计的优点包括结构简单、制造方便、使用便利、压力损失小、成本不高等,由于其有点众多,因此在实验及生产领域应用广泛。
 
  早在 1868 年,美国科学家艾德蒙德·奥古斯丁·卡麦罗伊(Edmond AugustinChamenoy)进行了浮子流量计的专利登记。1910 年,罗达沃克(Rotarywork)公司开始制造并且销售浮子流量计,为了使浮子保持在锥管的中间而不碰到管壁,罗达沃克公司在浮子上开上螺旋的沟槽,这样,当用流量计进行流量测量的时候,浮子会绕着中心轴旋转,就不会碰到管壁]2,1[。1931 年,玻璃锥管被发明,famingzhe是美国籍科学家卡米特·菲切尔(Kermit·Fiecher),他用石墨心轴法研制出玻璃锥管。1937 年,菲切尔·安德鲁普公司又发展改进了这种制造方法,开始大规模化批量化的生产玻璃锥管浮子流量计,从而奠定了工业用浮子流量计的制造基础。20 世纪 70 年代,德国工程师学会(VDI/VDE)经过分析多方数据,制定了有关浮子流量计的专业标准 VDI/VDE3513。
 
  我国对浮子流量计的研究起步较晚,在 20 世纪 50 年代后期,沈阳玻璃仪器厂首次生产出玻璃管浮子流量计。60 年代中期,上海自动化仪表公式经过改进研制,
 
  生产出具有输出信号的金属管浮子流量计。90 年代左右我国引进日本和德国的先进技术,与我国的实际生产相结合,生产本国的浮子流量计。
 
  浮子流量计的分类有金属管浮子流量计,玻璃管浮子流量计,孔板浮子流量计。
 
  金属管浮子流量计采用制作的材料是金属锥管,由于工作时浮子的位置和工作情况无法直接观测到,因此需要用间接的方法测量出浮子的位置,从而求出流量。有远传和就地指示两种不同的传输信号方式。金属管浮子流量计主要用来测量温度较高、压力较大的工作条件下的流体,广泛应用于工业原料配比的计量,过程控制领域、流量检测领域和累计流量等很多领域和方面。
 
  由于浮子流量计特殊的结构特点,所以流体粘度对流量计测量的准确度和精确度有很大影响[10]。因此,当测量流体是高粘度流体时,浮子流量计是否具有粘度修正对测量会有很大的影响。在选取时候,应该选取带有粘度修正功能的浮子流量计。研究流体粘度对浮子流量传感器影响,归纳推导出浮子流量传感器粘度修正公式,对于进一步改善测量仪表的精确度,扩大其使用范围,意义深远。
 

1、浮子流量传感器的工作原理:
  如图 1-1 所示,浮子流量传感器包括浮子流量传感器单元、机电转换单元和后处理单元三部分。浮子流量传感器单元是决定测量准确性与工作稳定性的核心环节,其结构如图 1-2 所示,包括锥管和浮子两部分,其中浮子由上下导向杆固定,可以在锥管中上下移动,而不碰到管壁。被测流体自下而上流过浮子流量传感器时,浮子受力如图 1-3 所示,浮子受到重力 G、差压力 Fp、浮力 Fρ和摩擦阻力 Ff 和粘性剪切力 Ff’五个力的作用,其中后面四个力构成了浮子上升的升力Fs。若 FS 大于 G,浮子便上升。浮子上升时,锥管和浮子间的环形面积随之增大,由于流体流通面积变大,则流经流体流速下降,从而导致浮子上下截面压差降低,升力 FS 随之减少。当 FS 等于 G 时,浮子便稳定在某一高度 h,由 h 即可测得体积流量 qv[11-12]。本文主要研究的是粘性剪切力对浮子流量传感器的影响。


        图1-1浮子流量计的整体结构示意1.浮子流量传感器2.机电转换单元3.信息处理单元
       图1-1浮子流量计的整体结构示意1.浮子流量传感器2.机电转换单元3.信息处理单元
图1一2浮子流量计基本结构图1一3浮子受力

图1一2浮子流量计基本结构图1一3浮子受力


2、浮子流量传感器的研究现状:
2.1、浮子流量传感器的结构设计现状:
  为了提高浮子流量传感器在工业应用中的测量精度,国内外很多学者对浮子以及锥管形状进行设计并且严格控制工艺流程,取得了很大的进展。
  三畅仪表等研究了通过研究浮子流量传感器的各个生产环节,得到不同生产环节的差异对浮子流量传感器测量性能的影响。H.S. Sondh 等通过大量的实验,设计了顶部为抛物线形的圆锥体、底部为半球形的平截头圆锥体等浮子形状。王福斌等通过实验研究,设计出双浮子流量传感器,其测量原理是根据流量大小选用不同的浮子测量,即使用大浮子测量大流量,使用小浮子测量小流量,从而扩展了浮子流量传感器量程。朴立华等把孔板浮子流量传感器的浮子设计成双锥形,不仅减低了其压力损失,而且大大提高了孔板浮子流量传感器的线性度。

2.2、流体粘度对浮子流量传感器测量精度影响的研究:
  目前,大多数流量传感器生产厂家是根据国家标准或者企业按照国家标准自行制定的标准进行生产,所生产出的流量传感器的精度和量程是在标校条件下水或空气的精度和刻度。但是,实际工业应用中,传感器测量的流体大多是粘性流体。以前,对粘度不大的流体一般采用的处理方法是把其近似成理想流体进行处理。这样就不用考虑流体粘度对测量误差的影响。但是,当测量粘度很大的流体时,会出现很大的误差,严重影响传感器的测量的准确度和精确度。为了减低粘性流体对传感器的测量影响,国内外学者进行了多种渠道的研究,试图揭示出粘度对浮子流量传感器测量的影响程度。主要从两方面进行研究:一方面是重新设计浮子流量传感器的结构,减低粘度对其影响;另一方面是结合大量实验,进行理论研究,推导出粘度修正曲线或者粘度影响公式,获得不同粘度的被测流体的流量转换关系。
  Miller.R.W设计出一系列结构特殊的浮子,在一定粘度下,由于其敏感上限值的差异,在实际测量流体时不需要进行粘度的修正,但从理论层面上没有解释其减粘原因。
  伊藤好弘设计出雨滴状的浮子形状,不仅可以减小粘度对浮子的影响,而且也降低了由于浮子的自身形状带来的压差损失。
  苏锋在获得了粘性流体浮子流量传感器数学模型的基础上,通过减小与流动方向相平行的浮子表面积,设计了一种新型的浮子流量计,有效的减小粘度影响。
  朴立华设计了双锥形孔板浮子流量计,与传统单锥形孔板浮子流量计相比,新设计的双锥形孔板浮子流量计在压力损失和线性度两个方面大大改善了流量计的性能。杨根生等通过大量实流实验总结出粘度对玻璃转子流量计的测量影响,归纳出 Re'v、v '、 vv Q'三条粘度修正曲线,并对三条曲线进行对比分析,认为 vv Q'曲线更直观,应用更方便。
  苏锋通过深入研究粘性流体对浮子流量传感器的影响机理,建立了粘性流体浮子流量传感器数学模型,并通过大量粘性试验,证明了其有效性。
  朴立华通过在可变粘度流量测量装置上对口径是 25mm 的孔板浮子流量计进行大量的实流实验,总结出孔板浮子流量传感器粘度修正公式的一般形式。
  郭小丽通过大量实验、CFD 数值计算和理论推导,提出了基于实验数据的多项式拟合密度粘度修正法、基于 CFD 的孔板浮子流量传感器粘度影响研究法和相似模型等效法的粘性介质流量计算法,并对三种方法进行了分析对比。

转子流量计原理与计算:
1 概述
  转子流量计(Rotometer),又称浮子流量计(FloatTypeFlowmeter),在工业中得到广泛的应用。它可测量液体、气体和蒸气的流量,宜测中小管径(DN4~250)的流量。压力损失小且恒定,测量范围比较宽,量程比1:10,工作可靠且刻度线性,使用维修方便,对仪表前后直管段长度要求不高。其测量精确度为±2%左右,受被测液体的密度、粘度、纯净度以及温度、压力的影响,也受安装垂直度的影响。玻璃管浮子流量计结构简单,成本低,易制成防腐蚀性仪表,但其强度低。金属管浮子流量计可输出标准信号,耐高压,能实现流量的指示、积算、记录、控制和报警等多种功能。
1.1 原理及结构
1.1.1 冲量定理及应用
  设一物体的质量为m,作用其上的力为F,实际上流体的速度v,物体变化路程为L。那么根据冲量定理可推出

冲量定理及应用


1.1.2 测量原理及结构
  如果将阻挡体置于直立且具有锥度(上大下小)的管道中,就形成转子式的流量计,它的工作原理如图1所示。

图5 转子流量计工作原理图

图5 转子流量计工作原理图


  当流量增加时,转子接受流体自下而上的冲力将增加,因而被冲向上方,一到达上面,由于流通截面增加,流速减小,冲力也随之减小。当冲力和差压对转子截面构成的作用力以及粘滞摩擦力等的合力与转子本身在流体中重量相等时,转子即处于一平衡状态,不再上升或下降,这个位置就表示新的流量值。
1.2 计算公式
  设转子的显示重量为Wf(N),流体对转子的作用力为F(N),锥形管与转子间环形截面为Sa(m2),转子处zui大截面积为Sf(m2),转子体积Vf(m3),转子密度为ρf(Kg/m3),转子长度为L(m),流体介质的密度为ρ(Kg/m3),重力加速度为g(m/s2),则

计算公式

  式中:qm—为质量流量;qv—为体积流量;ψ—为流量系数。ψ与转子形状和雷诺数有关,Sa与转子高度有关。锥管形转子流量计转子的几何形状和选用的材料及被测流体一定时,式(2)等式右边平方根内的值为一常数。当雷诺数大于一定的界限值时,ψ为一常数,这样qm正比于Sa。
1.3 不同测量介质的换算方法
  在实际使用转子流量计过程中,由于被测物体的物性(密度、粘度等)和状态(温度、压力等)与实验流体的物性和状态不同,所以必须对测量仪表进行刻度换算和粘度修正,以保证精确度。
1.3.1 液体流量测量的刻度换算
  通常测量液体的转子流量计的刻度,都是用水在20℃,1个大气压下标定的。按照下式进行刻度换算:

刻度换算

  式中:Q1—标定时水的体积流量;Q2—使用时被测液体的体积流量;ρf—转子的材质密度;ρ1—标定时的水密度;ρ2—使用时的被测液体密度;a1—水的流量系数;a2—被测粘性液体的流量系数。
  当被测液体的密度和水的密度不同但是两者粘度系数相差甚微,即可忽略粘度变化对流量系数造成的影响,a2/a1可以当作1来计算。

1.3.2 气体流量测量的刻度换算
  测量气体的浮子流量计通常都是在低压、恒温20℃状态下用压缩空气进行标定的,然后在换算到标准绝对压力为101325Pa、温度为20℃时的流量值对仪表刻度。当仪表用来测量某一工作状态下,任意一种气体的体积流量时,需将仪表所示刻度值换算为工作状态的实际流量值。于气体,可以按照下面公式换算:

计算公式

  式中:Qn—标定空气在pn,Tn状态下的体积流量,即仪表刻度流量值;Q—被测气体由P,T状态下的体积流量,即仪表刻度流量值;pn=101325Pa,Tn=293.15k(标准状态下的绝对压力和温度);p,T—被测气体在工作状态下的绝对压力和热力学温度;PnZn—分别为标定空气在pn,Tn状态下的密度和压缩系数;ρ,Z—分别为标定空气p,T在状态下的密度和压缩系数。
当被测气体的湿度较大时,应考虑水分含量的影响,气体密度ρ按下式计算:
ρ=ρg+Фρsmax
  式中:ρg—为测量条件下干燥气体密度;Ф—为测量条件下相对湿度;ρsmax—为测量条件下饱和水汽的密度。
1.4 金属管转子流量计
  金属管转子流量计与玻璃转子流量计具有相同的测量原理,不同的是其锥管由金属制成,这样不仅耐高温、高压,而且能选择适当的材质以适合各种腐蚀性介质的流量。流量计采用可变面积式测量原理,应用现代高技术手段及先进的元件和器件。流量计主要由三大基本部分组成:测量管;锥形浮子或靶式浮子;指示器。浮子的位移量与流量的大小成比例,通过磁耦合系统,以不同接触方式,将浮子位移量传给指示器指示出流量的大小。也可配装不同的转换器,将流量值转换成标准的电远传信号,从而实现远距离显示、记录、积算和控制功能。金属管转子流量计在指示器的设计上可以为各种应用场合提供可靠适用的功能组合,如现场指针显示、LCD显示瞬时和累计流量等。在指示器供电选择方面有电池供电、24VDC供电、220VAC供电,方式根据现场情况选择。
1.5 选型计算
  在选型过程中,可以根据前面介绍的计算公式和相关设计样本来确定转子流量计的型号。本文以三畅仪表的转子流量计为例,介绍如何根据计算公式来确定转子流量计的型号。

选型计算

  已知测量介质为液体,zui大流量为:Qmax=30m3/h,常用流量zui小值Qmin=10m3/h,粘度μy=3.1×10-5pags,密度ρy=810kg/m3,常用压力py=0.49MPa,常用温度ty=150℃。根据条件选出合适的浮子流量计的口径及浮子号。
  选择11Cr18Ni9Ti材质的浮子,其密度为780kg/m3。水在工作状态时的密度为954kg/m3,则根据公式(3)可以得到

计算公式2


  代入zui大流量Qmax=70m3/h和常用流量zui小值Qmin=20m3/h可以求得水的流量范围Qsmax=66.6m3/h,Qsmin=22.2m2/h。
通过查询KF10的转子流量计规格表,可以得知选择口径DN100,浮子号K10.2,材质1Cr18Ni9Ti。


2.3、浮子流量传感器内部流场的情况分析:
  计算流体力学是利用计算机的数值计算功能和图像显示功能,对一些包含有流体流动和热传导等的相关物理现象进行系统分析的科学。把 CFD 应用到流体测量领域,不但能快速准确设计出产品的结构参数,而且能够反映出流场内部速度、压力分布以及其他流动情况,具有设计周期较短、成本不高等特点。目前,众多学者都采用 CFD 方法对浮子流量传感器进行结构优化和粘度影响研究。
 

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