概述浮子流量计
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前言 |
浮子流量计是以浮子在垂直锥形管中随着流量变化而升降，改变它们之间的流通面积来进行测量的体积流量仪表，又称转子流量计。在美国、日本常称作变面积流量计（Variable Area Flowmeter）或面积流量计。
浮子流量计原理设想发轫于19世纪60年代，20世纪初出现商品。从应用台数所占比例来看，1985年英国抽样调查72家企业17000台流量仪表中浮子流量计占19.2%。我国浮子流量计产量1996年估计在15万-17万台之间，其中95%左右为玻璃管浮子流量计。
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节 原理和结构 |
浮子流量计的流量检测元件是由一根自下向上扩大的垂直锥形管和一个沿着锥管轴上下移动的浮子组所组成。工作原理如图1所示，被测流体从下向上经过锥管1和浮子2形成的环隙3时，浮子上下端产生差压形成浮子上升的力，当浮子所受上升力大于浸在流体中浮子重量时，浮子便上升，环隙面积随之增大，环隙处流体流速立即下降，浮子上下端差压降低，作用于浮子的上升力亦随着减少，直到上升力等于浸在流体中浮子重量时，浮子便稳定在某一高度。浮子在锥管中高度和通过的流量有对应关系。
体积流量Q的基本方程式为
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口径15-40mm透明锥形管浮子流量计典型结构如图2所示。透明锥形管4用得普遍是由硼硅玻璃制成，习惯简称玻璃管浮子流量计。流量分度直接刻在锥管4外壁上，也有在锥管旁另装分度标尺。锥管内腔有圆锥体平滑面和带导向棱筋（或平面）两种。浮子在锥管内自由移动，或在锥管棱筋导向下移动，较大口平滑面内壁仪表还有采用导杆导向。 |
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图3是直角型安装方式金属管浮子流量计典型结构，通常适用于口径15-40mm以上仪表。锥管5和浮子4组成流量检测元件。套管（图3未表示）内有导杆3的延伸部分，通过磁钢耦合等方式，将浮子的位移传给套管外的转换部分。转换部分有就地指示和远传信号输出两大类型。除直角安装方式结构外还有进出口中线与锥管同心的直通型结构，通常用于口径小于10-15mm的仪表。 |
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第二节 分类 |
时常上定型产品和特殊型仪表从不同角度可作不同分类，如：
按锥形管材料分为透明锥形管和金属锥形管。
按有否远传信号输出分为就地指示型和远传信号输出型，后者又分为电远传和气远传两种。
按被测流体分为液体用、气体用和蒸汽。
按被测流体通过浮子流量计的量分为全流型和分流型。
2.1 按锥形管材料分类类型
（1）透明锥形管浮子流量计
透明锥形管材料用得多的是玻璃，无导向结构仪表测量气体时操作不慎，玻璃管易被击碎；还有用透明工程塑料如聚苯乙烯、聚碳酸酯、有机玻璃等制成，具有不易击碎之优点。
（2）金属管锥形管浮子流量计
与透明锥形管浮子流量计相比，可用于较高的介质温度和压力，且无玻璃管浮子流量计锥管被击碎的潜在危险。图3所示典型结构是锥形管与壳体制成一体结构，也有锥管套入壳体的分离结构，改变流量规格只要调换不同圆锥角的锥管，使用较为灵便。
2.2 按有否远传信号输出分类类型
（1）就地指示型浮子流量计
有些透明管浮子流量计以就地指示为主，装有接近开关，作流量上下限报警信号输出。
有些就地指示型金属管浮子流量计外形与远传信号输出相同，只是将浮子位移通过磁耦合传出，经连杆凸轮等线性化机构处理后就地指示。
（2）远传信号输出型浮子流量计
远传信号输出型仪表的转换部分将浮子位移量转换成电流或气压模拟量信号输出，分别成为电远传浮子流量计和气远传浮子流量计。
2.3 按被测流体分类类型
分为液体用、气体用和蒸汽用3种。
实际上大部分浮子流量计同一仪表可用于液体也可用于气体，结构上是通用的。只是我国浮子流量计行业标准等（如JB/T 6844-93）规定流量上限Qmax必须符合（1，1.6，2.5，4或6）×10nL/h的要求（n为正负整数或零），为液体（以水为代表）设计的仪表用于气体（以空气为代表）时，不符合上述要求，只能为气体另行设计浮子和锥管，就分成液体和气体两种系列。国外有些制造厂同一仪表并列液、气两种流体的流量范围，当然流量值就不可能都是圆整值；国内有些型号仪表也采用本办法。但是液体用和气体用设计还是有区别的，例如气体仪表浮子设计得较轻，防浮子振荡跳动的阻尼件结构各异等。
测量蒸汽只能用专门设计的金属管浮子流量计或在标准型仪表上加装附加构件，例如增加带散热片的液体阻尼件，以减少浮子跳动；与指示转换部分连接处隔以散热片。
2.4 按被测流体通过浮子流量计的量分类类型
１）全流型 即被测流体全部流过浮子流量计的仪表
２）分流型 相对于全流型只有部分被测流体流过浮子等流量检测部分。分流型浮子流量计由装载主管道上标准孔板（或均速管）和较小口径浮子流量计组合而成，应用与管径大于50ｍｍ的较大流量和只要就地指示的场所，价格低廉。分流型浮子流量计结构上分为分离型和一体型两种。
一体型仪表将孔板和浮子流量计组装在短管段上，直接装到待测管道，原理与结构示意图如图4所示，安装方便。有适用于水平和垂直管道两种结构，但均只能安装在便于读取仪表示值的场所。主管道管径通常为50-300ｍｍ，孔板的孔径比（β）在0.3-0.7之间，差压在0.6-100KPa之间，浮子流量计口径为10-25ｍｍ。
分流型浮子流量计的选用流速可比全流型高，液体流速可达2.5-3ｍ／ｓ，甚至高达4-5ｍ／ｓ。由于分流管中置有限流小孔板，起到补偿主孔板流量和差压间平方根非线性关系，流量示值基本是线性的，有较宽的范围度，一般为10：1。度为2.5％-4％FS。
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第三节 优点和缺点 |
浮子流量计使用于小管径和低流速。常用仪表口径40-50mm以下，口径做到1.5-4mm。适用于测量低流速小流量，以液体为例，口径10mm以下玻璃管浮子流量计满度流量的名义管径，流速只在0.2-0.6m/s之间，甚至低于0.1m/s；金属管浮子流量计和口径大于15mm的玻璃管浮子流量计稍高些，流速在0.5-1.5m/s之间。
浮子流量计可用于较低雷诺数，选用粘度不敏感形状的浮子，流通环隙处雷诺数只要大于40或500，雷诺数变化流量系数即保持常数，亦即流体粘度变化不影响流量系数。这数值远低于标准孔板等节流差压式仪表雷诺数104-105的要求。
大部分浮子流量计没有上游直管段要求，或者说对上游直管段要求不高。
浮子流量计有较宽的流量范围度，一般为10：1，为5：1，为25：1。流量检测元件的输出接近于线性。压力损失较低。
玻璃管浮子流量计结构简单，价格低廉。只要在现场指示流量者使用方便，缺点是有玻璃管易碎的风险，尤其是无导向结构浮子用于气体。
金属管浮子流量计无锥管破裂的风险。与玻璃管浮子流量计相比，使用温度和压力范围宽。
大部分结构浮子流量计只能用于自下向上垂直流的管道安装。
浮子流量计应用局限于中小管径，普通全流型浮子流量计不能用于大管径，玻璃管浮子流量计口径100mm，金属管浮子流量计为150mm，更大管径只能用分流型仪表。
使用流体和出厂标定流体不同时，要作流量示值修正。液体用浮子流量计通常以水标定，气体用空气标定，如实际使用流体密度、粘度与之不同，流量要偏离原分度值，要作换算修正。
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第四节 选用考虑要点 |
4.1 应用概况
浮子流量计作为直观流动指示或测量度要求不高的现场指示仪表，占浮子流量计应用的90％以上，被广泛地用在电力、石化、化工、冶金、医药等流程工业和污水处理等公用事业。有些应用场所只要监测流量不超过或不低于某值即可，例如电缆惰性保护气流量增加说明产生了新的泄漏点。循环冷却和培养槽等水或空气减流断流报警等场所可选用有上限或下限流量报警的玻璃管浮子流量计。
环境保护大气采样和流程工业在线监测的分析仪器连续取样，采样的流量监控也是浮子流量计的大宗服务对象。
作为流程工业液位、密度等其他参量的测量中，定流量测量和控制的辅助仪表，应用得非常普遍，亦占有相当份额。
带信号输出的远传金属浮子流量计在流程工业常用作流量控制检测仪表或管线混合配比，如给水处理过程控制原水加药液的配比量。
4.2 类型和结构选择
浮子流量计主要测量对象是单相液体或气体，液体中含有微粒固体或气体中含有液滴通常不适用。因为浮子在液流中附着微粒或微小气泡均会影响测量值，例如微流量仪表使用一段时期后浮子附着肉眼不出的附着层，也会改变流量示值百分之几。
如只要现场指示，首先考虑价廉的玻璃管浮子流量计，如温度、压力不能胜任则选用就地指示金属管浮子流量计。玻璃管浮子流量计应选带有透明防护罩，一旦玻璃锥管破裂，可挡住流体正向散溅，以作紧急处理。用于气体时应选用导杆或带棱筋导向的仪表，以避免操作不慎浮子击碎锥管。如需要远传输出信号作总量积算或流量控制，一般选用电信号输出的金属管浮子流量计。如环境气氛有防爆要求而现场又有控制仪表用气源，则优先考虑气远传金属浮子流量计，若选用电远传仪表则必须是防爆型。
测量不透明液体时选择金属管浮子流量计较为普遍，但也可选择带棱筋锥形管的玻璃管浮子流量计，借助浮子直径与棱筋接触的痕迹，以判读浮子的位置。
测量温度高于环境温度的高粘度液体和降温易析出结晶或易凝固的液体，应选用带夹套的金属管浮子流量计。
4.3 按实际使用介质密度选择仪表流量范围
这里所谓实际使用状态介质密度，液体是指使用时的密度，气体指使用状态下的密度，或标准状态下密度进行使用压力和温度的修正。通常仪表刻度的流量范围，液体是常温水标定值，气体是空气标定换算到工程标准状态（20℃，0.10133MPa）的值。将实际使用密度按式（4）或式（5）换算后再选择合适的流量范围和口径，但必须是使用介质粘度与标定介质粘度相接近，亦即认为α不变的前提下使用。
液体
（4）
式中 Q水－待选定用水实流标定仪表的流量，L/h；
Q－被测液体的流量，L/h；
ρf－浮子密度，g/cm3，对于空心的浮子ρf＝Gf/V，Gf为浮子质量（g），V为浮子体积，cm3；
ρ，ρ水－被测液体和水的密度，g/cm3。
气体
（5）
式中 Q空－待选定用空气实流标定仪表的流量，m3/h；
Q－被测气体的流量，m3/h；
ρ－被测气体的密度，kg/m3；
P－被测气体使用状态下压力，MPa；
T－被测气体使用状态下热力学温度，K。
4.4 浮子形状和粘度影响
浮子形状不属于使用者选择的范畴，制造厂是按仪表结构和流量范围选择合适形状而设计的，。但是使用者应了解所使用浮子的特点和流量示值受流体粘度影响的程度。
流量基本方程式（1）未包含流体粘度参数，但流量系数α在环形通道雷诺数Re（环）低于某值时不是常数而随Re（环）而变，而Re（环）与流体粘度成反比。图5所示是三种形状浮子Re（环）-α的关系曲线。Re（环）取决于流体粘度、浮子直径和其所在位置锥管内直径比、环形通道中的流速，对于设计已定在运行中的仪表，影响Re（环）的因素是流体粘度。不随Re（环）而变的α值，A型浮子为0.96，B型为0.76，C型为0.61。此外，还有常用的球形浮子，α约为0.99。流量系数因浮子形状而有较大差异。A型、B型和C型三种浮子α为常数的下限Re（环）分别约为6000，300和40。
对设计已定某乙口径和流量范围的仪表，亦即有一个粘度上限值，小于粘度上限值流量示值将不受流体粘度影响，选用时要考虑流体粘度是否超过上限值。有些型号浮子流量计同一口径不同流量范围的浮子形状是相同（重量不同，粘度上限值相近）；而还有一些型号则浮子形状不同，就有不同粘度上限值。
4.5 示值分度、度和范围度
直读型仪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种。Dt/d比分度是以浮子直径ｄ与相应锥管内径Dt的比值表示，国内产品甚少采用；百分率分度是以满度流量作为100％，其优点是流体物性或工况变化，流量读书转换方便；直接流量分度是以指定流体的工况条件或以标定条件（通常液体为水、气体为空气）的流量分度，优点是直观，但若使用条件和指定条件不一致须换算时，反而不及百分率分度方便。毫米分度是读取浮子高度后查所附曲线或数据表，求的流量，通常应用于操作时只要知道浮子达到预定位置，毋需知道确切流量的场所。有些型号仪表同时设有毫米分度和直接流量分度两种标尺。
浮子流量计为低中等度仪表。通用型玻璃浮子流量计的基本误差，口径小于6mm为2.5％-5％FS，10-15mm为2.5％FS，25mm以上为1-％-2.5％FS；金属管浮子流量计就地指示型为1％-2.5％FS，远传型为1％-4％FS。耐腐型仪表的度还要低些。有些特殊结构仪表，例如表尺长度只有2-3倍浮子直径的短型玻璃管浮子流量计和高压型吹流型金属管浮子流量计度低至5-10级。
玻璃管浮子流量计范围度大部分为10：1，短管型仪表口径100mm则为5：1；金属管浮子流量计为（5：1）-（10：1）。
4.6 液体的压力温度和仪表的压力损失
被测流体的工作压力和温度应低于仪表的额定值。流体温度较高时，有些制造厂要降低额定压力，通常样本和使用说明书均作说明。用于较高压力的气体和温度超过沸点的高压液体，不应选用玻璃管浮子流量计，应选用金属浮子流量计。
玻璃管浮子流量计的压力损失较小，小口径为0.2-2KPa，10-100mm为2-8KPa；金属管浮子流量计则稍高些，一般为2-8KPa，较高者为18-25KPa。压力损失应在样本和使用说明书列出，但往往阙如。
流体的工作压力应高于压力损失若干倍，用于气体时压力过低容易产生浮子跳动。有些型号仪表的使用说明书规定流体压力值，有些建议液体的工作压力应大于２倍压力损失，气体则为５倍。
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第五节 安装使用注意事项 |
5.1 仪表安装方向
绝大部分浮子流量计必须垂直安装在无振动的管道上，不应有明显的倾斜，流体自下而上流过仪表。图6说是为管道连接示例，装有旁路管系以便不断流进行维护。浮子流量计中心线与铅垂线间夹角一般不超过5度，高（1.5级以上）仪表θ≤20°。如果θ＝12°则会产生１％附加误差。仪表无严格上游直管段长度要求，但也有制造厂要求（2-5）D长度的，实际上必要性不大。
5.2 用于污脏流体的安装
应在仪表上游装过滤器。带有磁性耦合的金属管浮子流量计用于可能含铁磁性杂质流体时，应在仪表前装磁过滤器。
要保持浮子和锥管的清洁，特别是小口径仪表，浮子洁净程度明显影响测量值。例如6mm口径玻璃浮子流量计，在实验室测量看似清洁水，流量为2.5L/h，运行24h后，流量示值增加百分之几，浮子表面沾附肉眼观察不出的异物，取出浮子用纱布擦拭，即恢复原来的流量示值。必要时可示如图7所示设置冲洗配管，定时冲洗。
5.3 脉动流的安装
流动本身的脉动，如拟装仪表位置的上游有往复泵或调节阀，或下游有大负荷变化等，应改换测量位置或在管道系统予以补救改进，如加装缓冲罐；若是仪表自身的振荡，如测量时气体压力过低，仪表上游阀门未全开，调节阀未装在仪表下游等原因，应针对性改进克服，或改选用有阻尼装置的仪表。
5.4 扩大范围度的安装
如果测量要求的流量范围度宽，范围度超过10时，经常采用２台以上不同流量范围的玻璃管浮子流量计并联，按所测量择其一台或多台仪表串联，小流量时读取下流量范围仪表示值，大流量时读取大流量仪表示值，串联法比并联法操作简便，毋需频繁启闭阀门，但压力损失大。也可以在一台仪表内放两只不同形状和重量的浮子，小流量时取轻浮子读数，浮子到顶部后取重浮子读数，范围度可扩大到50-100。
5.5 要排尽液体用仪表内气体
进出口不在直线的角型金属浮子流量计，用于液体时注意外传浮子位移的引申套管内是否残留空气，必须排尽；若液体含有微小气泡流动时极易积聚在套管内，更应定时排气。这点对小口径仪表更为重要，否则影响流量示值明显。
5.6 流量值作必要换算
若非按使用密度、粘度等介质参数向制造厂专门定制的仪表，液体用仪表通常以水标定流量，气体仪表用空气标定，定值在工程标准状态。使用条件的流体密度、气体压力温度与标定不一致时，要做必要换算。换算公式和方法各制造厂使用说明书都有详述。
5.7 浮子流量计的校验和标定
浮子流量计的校验和标定液体常用标准表法、容积法和称量法；气体常用钟罩法，小流量用皂膜法。
国外有些制造厂的大宗产品已做到干法标定，即控制锥形管尺寸和浮子重量尺寸，间接地确定流量值，以降低成本，只对高仪表才坐实流标定。国内也有些制造厂严格控制锥形管起始点内径和锥度以及浮子尺寸，实流校验只起到检查锥形管内表面质量。这类制造厂生产的仪表、锥形管和浮子已做成互换，毋需成套更换。
浮子流量计采用标准表法校验是一种高效率方法，各制造厂了与应用。有些制造厂将某一流量范围的标准表制成数段锥度较小的玻璃管浮子流量计，扩展标准表表尺长度，提高标准表，使校验标定工作做到高高效率。