浮子流量計的測量原理

浮子流量計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行測量的體積流量儀表，又稱轉(zhuǎn)子流量計。20 世紀初本類儀表在德國取名為羅托計 ( Rotameter ) ，即盛行于歐洲，然而在美國、日本常稱作變面積流量計（ Variable Arer Flowmeter ）或面積流量計；但實際上只是變面積流量計的一個品種，只是由于浮子流量在變面積流量計中占了絕大多數(shù)，習(xí)慣上就以變面積流量計稱之。

    浮子流量計原理設(shè)想發(fā)韌于 19 世紀 60 年代， 20 世紀初出現(xiàn)商品。 20 世紀 30 年代后期碳芯軸法工藝為大量生產(chǎn)玻璃錐形管創(chuàng)造條件，奠定了浮子流量計工業(yè)應(yīng)用的基礎(chǔ)。 40 一 50 年代歐洲美國相繼進行開發(fā)和性能研究，特別是美國 Fischer 和 Porier 公司在提高性能和擴展品種方面作出了貢獻，例如減少液體粘度影響和有輸出信號等，使應(yīng)用領(lǐng)域得到很大擴展。我國于 50 年代后期首先由沈陽玻璃儀器廠提供玻璃管浮子流量計， 60 年代中期上海光華儀表廠首家提供帶輸出信號金屬錐形管浮子流量計。 1985 一 1987 年間日本、西歐、美國浮子流量計銷售金額占流量儀表的 11 ％一 17 % ，我國 1990 年約占 14 ％。從應(yīng)用臺數(shù)所占比例來看， 1985 年英國抽樣調(diào)查 72 家企業(yè) 17000 臺流量儀表中浮子流量計占 19 .2 ％。我國浮子流量計產(chǎn)量 1996 年估計在 15 萬一 17 萬臺之間，其中 95 ％左右為玻璃管浮子流量計。

浮子流量計原理和結(jié)構(gòu)

    浮子流量計的流量檢測元件是由一根自下向上擴大的垂直錐形管和一個沿著錐管軸上下移動的浮子組所組成。工作原理如圖 6 . 1 所示，被測流體從下向上經(jīng)過錐管 1 和浮子 2 形成的環(huán)隙 3 時，浮子上下端產(chǎn)生差壓形成浮子上升的力，當浮子所受上升力大于浸在流體中浮子重量時，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小，直到上升力等于浸在流體中浮子重量時，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應(yīng)關(guān)系。

體積流量 Q 的基本方程式為

a ― 儀表的流量系數(shù)，因浮子形狀而異；

ε ― 被測流體為氣體時氣體膨脹系數(shù)，通常由于此系數(shù)校正量很小而被忽略，且通過校驗已將它包括在流量系數(shù)內(nèi)，如為液體則 ε=1

•  F ― 流通環(huán)形面積， m2

g ― 當?shù)刂亓铀俣龋?m/s2 ；

Vf －浮子體積，如有延伸體亦應(yīng)包括， m3

ρf －浮子材料密度， kg/m3 ；

ρ ― 被測流體密度，如為氣體是在浮子上游橫截面上的密度， kg/m3 ；

Ff 一浮子工作直徑（最大直徑）處的橫截面積 m2 ；

G 一浮子質(zhì)量， kg 。

流通環(huán)形面積與浮子高度之間的關(guān)系如式（ 6.3 ）所示，當結(jié)構(gòu)設(shè)計已定，則 d 、 β 為常量。式中有 h 的二次項，一般不能忽略此非線性關(guān)系，只有在圓錐角很小時，才可視為近似線性。

式中

d ― 浮子最大直徑（即工作直徑） , m ;

h ― 浮子從錐管內(nèi)徑等于浮子最大直徑處上升高度， m

β －錐管的圓錐角；

a 、 b ― 常數(shù)。

口徑 15 一 40 透明錐形管浮子流量計典型結(jié)構(gòu)如圖 6 . 2 所示。透明錐形管 4 用得最普遍是由硼硅玻璃制成，習(xí)慣簡稱玻璃管浮子流量計。流量分度直接刻在錐管 4 外壁上，也有在錐管旁另裝分度標尺。錐管內(nèi)腔有圓錐體平滑面和帶導(dǎo)向棱筋（或平面）兩種。浮子在錐管內(nèi)自由移動，或在錐管棱筋導(dǎo)向下移動，較大口平滑面內(nèi)壁儀表還有采用導(dǎo)桿導(dǎo)向，如圖 6 . 4 ( a ）所示。

6 . 3 是直角型安裝方式金屬管浮子流量計典型結(jié)構(gòu)，通常適用于口徑 15 ～ 40 以上儀表。錐管 5 和浮子 4 組成流量檢測元件，檢測元件也有由孔板和錐形浮塞組成，如圖 6 . 4 ( f ）所示。套管（圖 6 . 3 未表示）內(nèi)有導(dǎo)桿 3 的延伸部分，通過磁鋼藕合等方式，將浮子的位移傳給套管外的轉(zhuǎn)換部分。轉(zhuǎn)換部分有就地指示和遠傳信號輸出兩大類型。除直角安裝方式結(jié)構(gòu)外還有進出口中線與錐管同心的直通型結(jié)構(gòu)，通常用于口徑小于 10 ～ 15mm 的儀表。圖 6 . 4 所示是透明錐形管（或透明直管）浮子流量計和金屬管浮子流量計各種結(jié)構(gòu)的例子。