轉(zhuǎn)子流量計結(jié)構(gòu)原理、流量計算和選型安裝論述

上海自動化儀表四廠在分析轉(zhuǎn)子流量計結(jié)構(gòu)和原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合其技術(shù)特點和應(yīng)用需求，從流量計算、量值修正以及流量計技術(shù)選型和安裝要求等方面進行了較為系統(tǒng)的論述和研究。 希望能為廣大計量工作者更好的掌握轉(zhuǎn)子流量計應(yīng)用技術(shù)，實現(xiàn)對流量的準確測量提供幫助。

0 引言

轉(zhuǎn)子流量計是非常常用的節(jié)流式流量計之一，具有結(jié)構(gòu)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(yōu)點，是現(xiàn)代生活和工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛的計量器具。

在計量技術(shù)水平日益發(fā)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(zhuǎn)子流量計的結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(zhuǎn)子流量計結(jié)構(gòu)原理簡析

1.1 結(jié)構(gòu)分析

轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子（圖1 轉(zhuǎn)子流量計原理圖）。錐形管由玻璃、塑料或金屬材質(zhì)制成。 玻璃或塑料材質(zhì)的錐形管上刻有流量刻度，透過錐管可看到透明流體中轉(zhuǎn)子的位置及所對應(yīng)的刻度值； 金屬材質(zhì)錐形管中轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子，對它產(chǎn)生一個作用力，力的大小隨流量大小而變化；流量足夠大時，所產(chǎn)生作用力將轉(zhuǎn)子托起，使之升高；流體經(jīng)轉(zhuǎn)子與錐形管壁間的環(huán)形斷面從上端流出。 當流體對轉(zhuǎn)子的作用力等于轉(zhuǎn)子重量時，轉(zhuǎn)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(yīng)的關(guān)系，據(jù)此位置，即可求得流量值。

1.3 流量計算

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

V （ ρ t －ρ f ） g＝△p · A （ 1 ）其中： ρ t - 轉(zhuǎn)子密度； ρ f - 流體密度； g- 重力加速度； V- 轉(zhuǎn)子體積；△p- 轉(zhuǎn)子前后壓差； A- 轉(zhuǎn)子非常大截面積。

2 測量值的流體相關(guān)性修正

2.1 測量值修正分析

可知，被測流體的密度不同，流量大小與轉(zhuǎn)子高度之間的對用關(guān)系也不同。 因受標定設(shè)備的限制，生產(chǎn)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(zhì)時，應(yīng)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(shù)，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(yīng)考慮標定狀態(tài)和實際狀態(tài)不同時溫度和壓力的影響。

通常，標定狀態(tài)默認為：溫度 T=293.16K ，絕對壓力 p=101325Pa 。根據(jù)流量計算公式，進行如下分析：一方面，設(shè)定在標定狀態(tài)下，測量標定流體的流量公式為：

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

另一方面，設(shè)定流量計在工作狀態(tài)下，測量被測流體的流量公式為：式中： Q v - 工作狀態(tài)下被測流體的流量示值； a- 工作狀態(tài)被測流體的流量系數(shù)； ρ- 流體在工作狀態(tài)下的密度。

實驗表明，流量系數(shù) a 與雷諾數(shù) Re 和流量計結(jié)構(gòu)有關(guān)，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(shù) a 為常數(shù)的流量范圍內(nèi)，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(yīng)考慮黏度差異對實際流量系數(shù) a 與標定流量系數(shù) 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(tài)類流體的測量示數(shù)通常采用水為參照流體，在標定狀態(tài)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(tài)類流體的測量示數(shù)采用空氣為參照物，在標定狀態(tài)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(yīng)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(tài)時溫度和壓力與標定狀態(tài)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(shù)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(tài)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(tài)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(tài)分開修正，即先在標定狀態(tài)下對被測流體的密度進行修正，然后再進行狀態(tài)修正。 非常后的修正公式為：其中： p 0 - 標定狀態(tài)下的絕對壓力； p- 工作狀態(tài)下的絕對壓力； T 0 -標定狀態(tài)下的絕對溫度； T- 工作狀態(tài)下的絕對溫度； ρ′- 被測氣體在標定狀態(tài)下的密度。

2.3 流量系數(shù)修正

2.3.1 流量系數(shù)與轉(zhuǎn)子形狀的相關(guān)性

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

2.3.2 流量系數(shù)與雷諾數(shù)的相關(guān)性

當流量計的轉(zhuǎn)子和結(jié)構(gòu)一定時，流量系數(shù)主要受雷諾數(shù) Re 影響。當雷諾數(shù) Re 較小時，流量系數(shù)隨雷諾數(shù) Re變化而變化，此時需要對進行關(guān)于流量系數(shù)的修正（見式 7 ）；當雷諾數(shù)達到一定值 Re min （臨界雷諾數(shù)）后，流量系數(shù)基本保持平穩(wěn)，可視為常數(shù)，不需做關(guān)于流量系數(shù)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(shù)和雷諾數(shù)的關(guān)系。

由于流體的多樣性和環(huán)境的復(fù)雜性， 流量系數(shù)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(huán)境下的真實量值，不必再進行各種修正。

3 選型與安裝技術(shù)分析

3.1 轉(zhuǎn)子流量計的種類

按錐形管材質(zhì)的不同，大體可分三類。其中：玻璃管轉(zhuǎn)子流量計結(jié)構(gòu)簡單，成本低，易制成防腐蝕性儀表，還具有透明度高、讀數(shù)直觀、不易破裂、重量輕、壽命長、安裝連接方便等優(yōu)點。塑料管轉(zhuǎn)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(zhì)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(xiàn)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(shù)據(jù)的精度，使用者應(yīng)根據(jù)安裝環(huán)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(zhuǎn)子流量計。

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

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

在高溫或高寒、高壓、有毒環(huán)境，應(yīng)選用具遠傳信息功能的金屬管轉(zhuǎn)子流量計。

（ 4 ）若流體壓力不穩(wěn)定，尤其用于氣體測量時，應(yīng)選具阻尼結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子流量計。

3.3 安裝技術(shù)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(yīng)遵循如下要求：

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

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

（ 3 ）安裝位置適當加裝管道支撐。

（ 4 ）流量計旁應(yīng)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(zhì)或含有固體雜質(zhì) , 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(zhì)，應(yīng)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(huán)境（ ≥65℃ ）。

（ 8 ）測量氣體的工作壓力應(yīng)不小于流量計壓損的 5倍。

4 總結(jié)

轉(zhuǎn)子流量計結(jié)構(gòu)簡單，原理亦不復(fù)雜，但是，由于流量計量特性與流體屬性的相關(guān)性、以及流體物理性質(zhì)的千差萬別，使得流量計量技術(shù)應(yīng)用變得非常復(fù)雜。 上海自動化儀表四廠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(jīng)驗認識和技術(shù)分析的歸納整理，有關(guān)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。