簡(jiǎn)述浮子流量計(jì)

　　浮子流量計(jì)是以浮子在垂直錐形管中隨著流量變化而升降，改變它們之間的流通面積來進(jìn)行測(cè)量的體積流量?jī)x表，又稱轉(zhuǎn)子流量計(jì)。在美國(guó)、日本常稱作變面積流量計(jì)（Variable Area Flowmeter）或面積流量計(jì)。
浮子流量計(jì)原理設(shè)想發(fā)軔于19世紀(jì)60年代，20世紀(jì)初出現(xiàn)商品。從應(yīng)用臺(tái)數(shù)所占比例來看，1985年英國(guó)抽樣調(diào)查72家企業(yè)17000臺(tái)流量?jī)x表中浮子流量計(jì)占19.2%。我國(guó)浮子流量計(jì)產(chǎn)量1996年估計(jì)在15萬-17萬臺(tái)之間，其中95%左右為玻璃管浮子流量計(jì)。

浮子流量計(jì)的流量檢測(cè)元件是由一根自下向上擴(kuò)大的垂直錐形管和一個(gè)沿著錐管軸上下移動(dòng)的浮子組所組成。工作原理如圖1所示，被測(cè)流體從下向上經(jīng)過錐管1和浮子2形成的環(huán)隙3時(shí)，浮子上下端產(chǎn)生差壓形成浮子上升的力，當(dāng)浮子所受上升力大于浸在流體中浮子重量時(shí)，浮子便上升，環(huán)隙面積隨之增大，環(huán)隙處流體流速立即下降，浮子上下端差壓降低，作用于浮子的上升力亦隨著減少，直到上升力等于浸在流體中浮子重量時(shí)，浮子便穩(wěn)定在某一高度。浮子在錐管中高度和通過的流量有對(duì)應(yīng)關(guān)系。
體積流量Q的基本方程式為

時(shí)常上定型產(chǎn)品和特殊型儀表從不同角度可作不同分類，如：
按錐形管材料分為透明錐形管和金屬錐形管。
按有否遠(yuǎn)傳信號(hào)輸出分為就地指示型和遠(yuǎn)傳信號(hào)輸出型，后者又分為電遠(yuǎn)傳和氣遠(yuǎn)傳兩種。
按被測(cè)流體分為液體用、氣體用和蒸汽。
按被測(cè)流體通過浮子流量計(jì)的量分為全流型和分流型。
2.1 按錐形管材料分類類型
（1）透明錐形管浮子流量計(jì)
透明錐形管材料用得*多的是玻璃，無導(dǎo)向結(jié)構(gòu)儀表測(cè)量氣體時(shí)操作不慎，玻璃管易被擊碎；還有用透明工程塑料如聚苯乙烯、聚碳酸酯、有機(jī)玻璃等制成，具有不易擊碎之優(yōu)點(diǎn)。
（2）金屬管錐形管浮子流量計(jì)
與透明錐形管浮子流量計(jì)相比，可用于較高的介質(zhì)溫度和壓力，且無玻璃管浮子流量計(jì)錐管被擊碎的潛在危險(xiǎn)。圖3所示典型結(jié)構(gòu)是錐形管與殼體制成一體結(jié)構(gòu)，也有錐管套入殼體的分離結(jié)構(gòu)，改變流量規(guī)格只要調(diào)換不同圓錐角的錐管，使用較為靈便。
2.2 按有否遠(yuǎn)傳信號(hào)輸出分類類型
（1）就地指示型浮子流量計(jì)
有些透明管浮子流量計(jì)以就地指示為主，裝有接近開關(guān)，作流量上下限報(bào)警信號(hào)輸出。
有些就地指示型金屬管浮子流量計(jì)外形與遠(yuǎn)傳信號(hào)輸出相同，只是將浮子位移通過磁耦合傳出，經(jīng)連桿凸輪等線性化機(jī)構(gòu)處理后就地指示。
（2）遠(yuǎn)傳信號(hào)輸出型浮子流量計(jì)
遠(yuǎn)傳信號(hào)輸出型儀表的轉(zhuǎn)換部分將浮子位移量轉(zhuǎn)換成電流或氣壓模擬量信號(hào)輸出，分別成為電遠(yuǎn)傳浮子流量計(jì)和氣遠(yuǎn)傳浮子流量計(jì)。
2.3 按被測(cè)流體分類類型
分為液體用、氣體用和蒸汽用3種。
實(shí)際上大部分浮子流量計(jì)同一儀表可用于液體也可用于氣體，結(jié)構(gòu)上是通用的。只是我國(guó)浮子流量計(jì)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等（如JB/T 6844-93）規(guī)定流量上限Qmax必須符合（1，1.6，2.5，4或6）×10ⁿL/h的要求（n為正負(fù)整數(shù)或零），為液體（以水為代表）設(shè)計(jì)的儀表用于氣體（以空氣為代表）時(shí)，不符合上述要求，只能為氣體另行設(shè)計(jì)浮子和錐管，就分成液體和氣體兩種系列。國(guó)外有些制造廠同一儀表并列液、氣兩種流體的流量范圍，當(dāng)然流量值就不可能都是圓整值；國(guó)內(nèi)有些型號(hào)儀表也采用本辦法。但是液體用和氣體用設(shè)計(jì)還是有區(qū)別的，例如氣體儀表浮子設(shè)計(jì)得較輕，防浮子振蕩跳動(dòng)的阻尼件結(jié)構(gòu)各異等。
測(cè)量蒸汽只能用專門設(shè)計(jì)的金屬管浮子流量計(jì)或在標(biāo)準(zhǔn)型儀表上加裝附加構(gòu)件，例如增加帶散熱片的液體阻尼件，以減少浮子跳動(dòng)；與指示轉(zhuǎn)換部分連接處隔以散熱片。
2.4 按被測(cè)流體通過浮子流量計(jì)的量分類類型
１）全流型　即被測(cè)流體全部流過浮子流量計(jì)的儀表
２）分流型　相對(duì)于全流型只有部分被測(cè)流體流過浮子等流量檢測(cè)部分。分流型浮子流量計(jì)由裝載主管道上標(biāo)準(zhǔn)孔板（或均速管）和較小口徑浮子流量計(jì)組合而成，應(yīng)用與管徑大于50ｍｍ的較大流量和只要就地指示的場(chǎng)所，價(jià)格低廉。分流型浮子流量計(jì)結(jié)構(gòu)上分為分離型和一體型兩種。
一體型儀表將孔板和浮子流量計(jì)組裝在短管段上，直接裝到待測(cè)管道，原理與結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，安裝方便。有適用于水平和垂直管道兩種結(jié)構(gòu)，但均只能安裝在便于讀取儀表示值的場(chǎng)所。主管道管徑通常為50-300ｍｍ，孔板的孔徑比（β）在0.3-0.7之間，差壓在0.6-100KPa之間，浮子流量計(jì)口徑為10-25ｍｍ。
分流型浮子流量計(jì)的選用流速可比全流型高，液體流速可達(dá)2.5-3ｍ／ｓ，甚至高達(dá)4-5ｍ／ｓ。由于分流管中置有限流小孔板，起到補(bǔ)償主孔板流量和差壓間平方根非線性關(guān)系，流量示值基本是線性的，有較寬的范圍度，一般為10：1。**度為2.5％-4％FS。

浮子流量計(jì)使用于小管徑和低流速。常用儀表口徑40-50mm以下，*小口徑做到1.5-4mm。適用于測(cè)量低流速小流量，以液體為例，口徑10mm以下玻璃管浮子流量計(jì)滿度流量的名義管徑，流速只在0.2-0.6m/s之間，甚至低于0.1m/s；金屬管浮子流量計(jì)和口徑大于15mm的玻璃管浮子流量計(jì)稍高些，流速在0.5-1.5m/s之間。
浮子流量計(jì)可用于較低雷諾數(shù)，選用粘度不敏感形狀的浮子，流通環(huán)隙處雷諾數(shù)只要大于40或500，雷諾數(shù)變化流量系數(shù)即保持常數(shù)，亦即流體粘度變化不影響流量系數(shù)。這數(shù)值遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)孔板等節(jié)流差壓式儀表*低雷諾數(shù)10⁴-10⁵的要求。
大部分浮子流量計(jì)沒有上游直管段要求，或者說對(duì)上游直管段要求不高。
浮子流量計(jì)有較寬的流量范圍度，一般為10：1，*低為5：1，*高為25：1。流量檢測(cè)元件的輸出接近于線性。壓力損失較低。
玻璃管浮子流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。只要在現(xiàn)場(chǎng)指示流量者使用方便，缺點(diǎn)是有玻璃管易碎的風(fēng)險(xiǎn)，尤其是無導(dǎo)向結(jié)構(gòu)浮子用于氣體。
金屬管浮子流量計(jì)無錐管破裂的風(fēng)險(xiǎn)。與玻璃管浮子流量計(jì)相比，使用溫度和壓力范圍寬。
大部分結(jié)構(gòu)浮子流量計(jì)只能用于自下向上垂直流的管道安裝。
浮子流量計(jì)應(yīng)用局限于中小管徑，普通全流型浮子流量計(jì)不能用于大管徑，玻璃管浮子流量計(jì)*大口徑100mm，金屬管浮子流量計(jì)為150mm，更大管徑只能用分流型儀表。
使用流體和出廠標(biāo)定流體不同時(shí)，要作流量示值修正。液體用浮子流量計(jì)通常以水標(biāo)定，氣體用空氣標(biāo)定，如實(shí)際使用流體密度、粘度與之不同，流量要偏離原分度值，要作換算修正。

　　4.1 應(yīng)用概況
浮子流量計(jì)作為直觀流動(dòng)指示或測(cè)量**度要求不高的現(xiàn)場(chǎng)指示儀表，占浮子流量計(jì)應(yīng)用的90％以上，被廣泛地用在電力、石化、化工、冶金、醫(yī)藥等流程工業(yè)和污水處理等公用事業(yè)。有些應(yīng)用場(chǎng)所只要監(jiān)測(cè)流量不超過或不低于某值即可，例如電纜惰性保護(hù)氣流量增加說明產(chǎn)生了新的泄漏點(diǎn)。循環(huán)冷卻和培養(yǎng)槽等水或空氣減流斷流報(bào)警等場(chǎng)所可選用有上限或下限流量報(bào)警的玻璃管浮子流量計(jì)。
環(huán)境保護(hù)大氣采樣和流程工業(yè)在線監(jiān)測(cè)的分析儀器連續(xù)取樣，采樣的流量監(jiān)控也是浮子流量計(jì)的大宗服務(wù)對(duì)象。
作為流程工業(yè)液位、密度等其他參量的測(cè)量中，定流量測(cè)量和控制的輔助儀表，應(yīng)用得非常普遍，亦占有相當(dāng)份額。
帶信號(hào)輸出的遠(yuǎn)傳金屬浮子流量計(jì)在流程工業(yè)常用作流量控制檢測(cè)儀表或管線混合配比，如給水處理過程控制原水加藥液的配比量。
4.2 類型和結(jié)構(gòu)選擇
　　浮子流量計(jì)主要測(cè)量對(duì)象是單相液體或氣體，液體中含有微粒固體或氣體中含有液滴通常不適用。因?yàn)楦∽釉谝毫髦懈街⒘；蛭⑿馀菥鶗?huì)影響測(cè)量值，例如微流量?jī)x表使用一段時(shí)期后浮子附著肉眼不出的附著層，也會(huì)改變流量示值百分之幾。
如只要現(xiàn)場(chǎng)指示，首先考慮價(jià)廉的玻璃管浮子流量計(jì)，如溫度、壓力不能勝任則選用就地指示金屬管浮子流量計(jì)。玻璃管浮子流量計(jì)應(yīng)選帶有透明防護(hù)罩，一旦玻璃錐管破裂，可擋住流體正向散濺，以作緊急處理。用于氣體時(shí)應(yīng)選用導(dǎo)桿或帶棱筋導(dǎo)向的儀表，以避免操作不慎浮子擊碎錐管。如需要遠(yuǎn)傳輸出信號(hào)作總量積算或流量控制，一般選用電信號(hào)輸出的金屬管浮子流量計(jì)。如環(huán)境氣氛有防爆要求而現(xiàn)場(chǎng)又有控制儀表用氣源，則優(yōu)先考慮氣遠(yuǎn)傳金屬浮子流量計(jì)，若選用電遠(yuǎn)傳儀表則必須是防爆型。
測(cè)量不透明液體時(shí)選擇金屬管浮子流量計(jì)較為普遍，但也可選擇帶棱筋錐形管的玻璃管浮子流量計(jì)，借助浮子*大直徑與棱筋接觸的痕跡，以判讀浮子的位置。
測(cè)量溫度高于環(huán)境溫度的高粘度液體和降溫易析出結(jié)晶或易凝固的液體，應(yīng)選用帶夾套的金屬管浮子流量計(jì)。
4.3 按實(shí)際使用介質(zhì)密度選擇儀表流量范圍
這里所謂實(shí)際使用狀態(tài)介質(zhì)密度，液體是指使用時(shí)的密度，氣體指使用狀態(tài)下的密度，或標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下密度進(jìn)行使用壓力和溫度的修正。通常儀表刻度的流量范圍，液體是常溫水標(biāo)定值，氣體是空氣標(biāo)定換算到工程標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（20℃，0.10133MPa）的值。將實(shí)際使用密度按式（4）或式（5）換算后再選擇合適的流量范圍和口徑，但必須是使用介質(zhì)粘度與標(biāo)定介質(zhì)粘度相接近，亦即認(rèn)為α不變的前提下使用。
液體
（4）

式中　Q水－待選定用水實(shí)流標(biāo)定儀表的*大流量，L/h；
　　　Q－被測(cè)液體的*大流量，L/h；
　　　ρ_f－浮子密度，g/cm³，對(duì)于空心的浮子ρ_f＝G_f/V，G_f為浮子質(zhì)量（g），V為浮子體積，cm³；
　　　ρ，ρ水－被測(cè)液體和水的密度，g/cm³。

氣體
（5）

式中　Q空－待選定用空氣實(shí)流標(biāo)定儀表的*大流量，m³/h；
　　　Q－被測(cè)氣體的*大流量，m³/h；
　　　ρ－被測(cè)氣體的密度，kg/m³；
　　　P－被測(cè)氣體使用狀態(tài)下優(yōu)良?jí)毫Γ?span>MPa；
　　　T－被測(cè)氣體使用狀態(tài)下熱力學(xué)溫度，K。
4.4 浮子形狀和粘度影響
浮子形狀不屬于使用者選擇的范疇，制造廠是按儀表結(jié)構(gòu)和流量范圍選擇合適形狀而設(shè)計(jì)的，。但是使用者應(yīng)了解所使用浮子的特點(diǎn)和流量示值受流體粘度影響的程度。
流量基本方程式（1）未包含流體粘度參數(shù)，但流量系數(shù)α在環(huán)形通道雷諾數(shù)Re（環(huán)）低于某值時(shí)不是常數(shù)而隨Re（環(huán)）而變，而Re（環(huán)）與流體粘度成反比。圖5所示是三種形狀浮子Re（環(huán)）-α的關(guān)系曲線。Re（環(huán)）取決于流體粘度、浮子*大直徑和其所在位置錐管內(nèi)直徑比、環(huán)形通道中的流速，對(duì)于設(shè)計(jì)已定在運(yùn)行中的儀表，影響Re（環(huán)）的因素是流體粘度。不隨Re（環(huán)）而變的α值，A型浮子為0.96，B型為0.76，C型為0.61。此外，還有常用的球形浮子，α約為0.99。流量系數(shù)因浮子形狀而有較大差異。A型、B型和C型三種浮子α為常數(shù)的下限Re（環(huán)）分別約為6000，300和40。
對(duì)設(shè)計(jì)已定某乙口徑和流量范圍的儀表，亦即有一個(gè)粘度上限值，小于粘度上限值流量示值將不受流體粘度影響，選用時(shí)要考慮流體粘度是否超過上限值。有些型號(hào)浮子流量計(jì)同一口徑不同流量范圍的浮子形狀是相同（重量不同，粘度上限值相近）；而還有一些型號(hào)則浮子形狀不同，就有不同粘度上限值。
4.5 示值分度、**度和范圍度
直讀型儀表的流量示值分度有Dt/d比分度、百分比分度、直接流量分度和毫米分度四種。Dt/d比分度是以浮子直徑ｄ與相應(yīng)錐管內(nèi)徑Dt的比值表示，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品甚少采用；百分率分度是以滿度流量作為100％，其優(yōu)點(diǎn)是流體物性或工況變化，流量讀書轉(zhuǎn)換方便；直接流量分度是以流體的工況條件或以標(biāo)定條件（通常液體為水、氣體為空氣）的流量分度，優(yōu)點(diǎn)是直觀，但若使用條件和條件不一致須換算時(shí)，反而不及百分率分度方便。毫米分度是讀取浮子高度后查所附曲線或數(shù)據(jù)表，求的流量，通常應(yīng)用于操作時(shí)只要知道浮子達(dá)到預(yù)定位置，毋需知道確切流量的場(chǎng)所。有些型號(hào)儀表同時(shí)設(shè)有毫米分度和直接流量分度兩種標(biāo)尺。
浮子流量計(jì)為低中等**度儀表。通用型玻璃浮子流量計(jì)的基本誤差，口徑小于6mm為2.5％-5％FS，10-15mm為2.5％FS，25mm以上為1-％-2.5％FS；金屬管浮子流量計(jì)就地指示型為1％-2.5％FS，遠(yuǎn)傳型為1％-4％FS。耐腐型儀表的**度還要低些。有些特殊結(jié)構(gòu)儀表，例如表尺長(zhǎng)度只有2-3倍浮子直徑的短型玻璃管浮子流量計(jì)和高壓型吹流型金屬管浮子流量計(jì)**度低至5-10級(jí)。
玻璃管浮子流量計(jì)范圍度大部分為10：1，短管型儀表口徑100mm則為5：1；金屬管浮子流量計(jì)為（5：1）-（10：1）。
4.6 液體的壓力溫度和儀表的壓力損失
被測(cè)流體的工作壓力和溫度應(yīng)低于儀表的額定值。流體溫度較高時(shí)，有些制造廠要降低額定壓力，通常樣本和使用說明書均作說明。用于較高壓力的氣體和溫度超過沸點(diǎn)的高壓液體，不應(yīng)選用玻璃管浮子流量計(jì)，應(yīng)選用金屬浮子流量計(jì)。
玻璃管浮子流量計(jì)的壓力損失較小，小口徑為0.2-2KPa，10-100mm為2-8KPa；金屬管浮子流量計(jì)則稍高些，一般為2-8KPa，較高者為18-25KPa。壓力損失應(yīng)在樣本和使用說明書列出，但往往闕如。
流體的*低工作壓力應(yīng)高于壓力損失若干倍，用于氣體時(shí)壓力過低容易產(chǎn)生浮子跳動(dòng)。有些型號(hào)儀表的使用說明書規(guī)定流體壓力*低值，有些建議液體的*低工作壓力應(yīng)大于２倍壓力損失，氣體則為５倍。

　　5.1 儀表安裝方向
　　絕大部分浮子流量計(jì)必須垂直安裝在無振動(dòng)的管道上，不應(yīng)有明顯的傾斜，流體自下而上流過儀表。圖6說是為管道連接示例，裝有旁路管系以便不斷流進(jìn)行維護(hù)。浮子流量計(jì)中心線與鉛垂線間夾角一般不超過5度，高精度（1.5級(jí)以上）儀表θ≤20°。如果θ＝12°則會(huì)產(chǎn)生１％附加誤差。儀表無嚴(yán)格上游直管段長(zhǎng)度要求，但也有制造廠要求（2-5）D長(zhǎng)度的，實(shí)際上必要性不大。
5.2 用于污臟流體的安裝
　　應(yīng)在儀表上游裝過濾器。帶有磁性耦合的金屬管浮子流量計(jì)用于可能含鐵磁性雜質(zhì)流體時(shí)，應(yīng)在儀表前裝磁過濾器。
要保持浮子和錐管的清潔，特別是小口徑儀表，浮子潔凈程度明顯影響測(cè)量值。例如6mm口徑玻璃浮子流量計(jì)，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量看似清潔水，流量為2.5L/h，運(yùn)行24h后，流量示值增加百分之幾，浮子表面沾附肉眼觀察不出的異物，取出浮子用紗布擦拭，即恢復(fù)原來的流量示值。必要時(shí)可示如圖7所示設(shè)置沖洗配管，定時(shí)沖洗。
5.3 脈動(dòng)流的安裝
流動(dòng)本身的脈動(dòng)，如擬裝儀表位置的上游有往復(fù)泵或調(diào)節(jié)閥，或下游有大負(fù)荷變化等，應(yīng)改換測(cè)量位置或在管道系統(tǒng)予以補(bǔ)救改進(jìn)，如加裝緩沖罐；若是儀表自身的振蕩，如測(cè)量時(shí)氣體壓力過低，儀表上游閥門未全開，調(diào)節(jié)閥未裝在儀表下游等原因，應(yīng)針對(duì)性改進(jìn)克服，或改選用有阻尼裝置的儀表。
5.4 擴(kuò)大范圍度的安裝
如果測(cè)量要求的流量范圍度寬，范圍度超過10時(shí)，經(jīng)常采用２臺(tái)以上不同流量范圍的玻璃管浮子流量計(jì)并聯(lián)，按所測(cè)量擇其一臺(tái)或多臺(tái)儀表串聯(lián)，小流量時(shí)讀取下流量范圍儀表示值，大流量時(shí)讀取大流量?jī)x表示值，串聯(lián)法比并聯(lián)法操作簡(jiǎn)便，毋需頻繁啟閉閥門，但壓力損失大。也可以在一臺(tái)儀表內(nèi)放兩只不同形狀和重量的浮子，小流量時(shí)取輕浮子讀數(shù)，浮子到頂部后取重浮子讀數(shù)，范圍度可擴(kuò)大到50-100。
5.5 要排盡液體用儀表內(nèi)氣體
進(jìn)出口不在直線的角型金屬浮子流量計(jì)，用于液體時(shí)注意外傳浮子位移的引申套管內(nèi)是否殘留空氣，必須排盡；若液體含有微小氣泡流動(dòng)時(shí)極易積聚在套管內(nèi)，更應(yīng)定時(shí)排氣。這點(diǎn)對(duì)小口徑儀表更為重要，否則影響流量示值明顯。
5.6 流量值作必要換算
若非按使用密度、粘度等介質(zhì)參數(shù)向制造廠專門定制的儀表，液體用儀表通常以水標(biāo)定流量，氣體儀表用空氣標(biāo)定，定值在工程標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。使用條件的流體密度、氣體壓力溫度與標(biāo)定不一致時(shí)，要做必要換算。換算公式和方法各制造廠使用說明書都有詳述。
5.7 浮子流量計(jì)的校驗(yàn)和標(biāo)定
浮子流量計(jì)的校驗(yàn)和標(biāo)定液體常用標(biāo)準(zhǔn)表法、容積法和稱量法；氣體常用鐘罩法，小流量用皂膜法。
國(guó)外有些制造廠的大宗產(chǎn)品已做到干法標(biāo)定，即控制錐形管尺寸和浮子重量尺寸，間接地確定流量值，以降低成本，只對(duì)高精度儀表才坐實(shí)流標(biāo)定。國(guó)內(nèi)也有些制造廠嚴(yán)格控制錐形管起始點(diǎn)內(nèi)徑和錐度以及浮子尺寸，實(shí)流校驗(yàn)只起到檢查錐形管內(nèi)表面質(zhì)量。這類制造廠生產(chǎn)的儀表、錐形管和浮子已做成互換，毋需成套更換。
浮子流量計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)表法校驗(yàn)是一種高效率方法，各制造廠了與應(yīng)用。有些制造廠將某上等量范圍的標(biāo)準(zhǔn)表制成數(shù)段錐度較小的玻璃管浮子流量計(jì)，擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)表表尺長(zhǎng)度，提高標(biāo)準(zhǔn)表精度，使校驗(yàn)標(biāo)定工作做到高精度高效率。