1 概述
轉(zhuǎn)子流量計(Rotometer),又稱浮子流量計(FloatTypeFlowmeter),在工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。它可測量液體、氣體和蒸氣的流量,宜測中小管徑(DN4～250)的流量。壓力損失小且恒定,測量范圍比較寬,量程比1:10,工作可靠且刻度線性,使用維修方便,對儀表前后直管段長度要求不高。其測量精度為±2%左右,受被測液體的密度、粘度、純凈度以及溫度、壓力的影響,也受安裝垂直度的影響。玻璃管浮子流量計結(jié)構(gòu)簡單,成本低,易制成防腐蝕性儀表,但其強(qiáng)度低。金屬管浮子流量計可輸出標(biāo)準(zhǔn)信號,耐高壓,能實(shí)現(xiàn)流量的指示、積算、記錄、控制和報警等多種功能。
1.1 原理及結(jié)構(gòu)
1.1.1 沖量定理及應(yīng)用
設(shè)一物體的質(zhì)量為m,作用其上的力為F,實(shí)際上流體的速度v,物體變化路程為L。那么根據(jù)沖量定理可推出
1.1.2 測量原理及結(jié)構(gòu)
如果將阻擋體置于直立且具有錐度(上大下小)的管道中,就形成轉(zhuǎn)子式的流量計,它的工作原理如圖1所示。
當(dāng)流量增加時,轉(zhuǎn)子接受流體自下而上的沖力將增加,因而被沖向上方,一到達(dá)上面,由于流通截面增加,流速減小,沖力也隨之減小。當(dāng)沖力和差壓對轉(zhuǎn)子截面構(gòu)成的作用力以及粘滯摩擦力等的合力與轉(zhuǎn)子本身在流體中重量相等時,轉(zhuǎn)子即處于一平衡狀態(tài),不再上升或下降,這個位置就表示新的流量值。
1.2 計算公式
設(shè)轉(zhuǎn)子的顯示重量為Wf(N),流體對轉(zhuǎn)子的作用力為F(N),錐形管與轉(zhuǎn)子間環(huán)形截面為Sa(m2),轉(zhuǎn)子處最大截面積為Sf(m2),轉(zhuǎn)子體積Vf(m3),轉(zhuǎn)子密度為ρf(Kg/m3),轉(zhuǎn)子長度為L(m),流體介質(zhì)的密度為ρ(Kg/m3),重力加速度為g(m/s2),則
式中:qm—為質(zhì)量流量;qv—為體積流量;ψ—為流量系數(shù)。ψ與轉(zhuǎn)子形狀和雷諾數(shù)有關(guān),Sa與轉(zhuǎn)子高度有關(guān)。錐管形轉(zhuǎn)子流量計轉(zhuǎn)子的幾何形狀和選用的材料及被測流體一定時,式(2)等式右邊平方根內(nèi)的值為一常數(shù)。當(dāng)雷諾數(shù)大于一定的界限值時,ψ為一常數(shù),這樣qm正比于Sa。
1.3 不同測量介質(zhì)的換算方法
在實(shí)際使用轉(zhuǎn)子流量計過程中,由于被測物體的物性(密度、粘度等)和狀態(tài)(溫度、壓力等)與實(shí)驗(yàn)流體的物性和狀態(tài)不同,所以必須對測量儀表進(jìn)行刻度換算和粘度修正,以保證精確度。
1.3.1 液體流量測量的刻度換算
通常測量液體的轉(zhuǎn)子流量計的刻度,都是用水在20℃,1個大氣壓下標(biāo)定的。按照下式進(jìn)行刻度換算:
式中:Q1—標(biāo)定時水的體積流量;Q2—使用時被測液體的體積流量;ρf—轉(zhuǎn)子的材質(zhì)密度;ρ1—標(biāo)定時的水密度;ρ2—使用時的被測液體密度;a1—水的流量系數(shù);a2—被測粘性液體的流量系數(shù)。
當(dāng)被測液體的密度和水的密度不同但是兩者粘度系數(shù)相差甚微,即可忽略粘度變化對流量系數(shù)造成的影響,a2/a1可以當(dāng)作1來計算。
1.3.2 氣體流量測量的刻度換算
測量氣體的浮子流量計通常都是在低壓、恒溫20℃狀態(tài)下用壓縮空氣進(jìn)行標(biāo)定的,然后在換算到標(biāo)準(zhǔn)絕對壓力為101325Pa、溫度為20℃時的流量值對儀表刻度。當(dāng)儀表用來測量某一工作狀態(tài)下,任意一種氣體的體積流量時,需將儀表所示刻度值換算為工作狀態(tài)的實(shí)際流量值。于氣體,可以按照下面公式換算:
式中:Qn—標(biāo)定空氣在pn,Tn狀態(tài)下的體積流量,即儀表刻度流量值;Q—被測氣體由P,T狀態(tài)下的體積流量,即儀表刻度流量值;pn=101325Pa,Tn=293.15k(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的絕對壓力和溫度);p,T—被測氣體在工作狀態(tài)下的絕對壓力和熱力學(xué)溫度;PnZn—分別為標(biāo)定空氣在pn,Tn狀態(tài)下的密度和壓縮系數(shù);ρ,Z—分別為標(biāo)定空氣p,T在狀態(tài)下的密度和壓縮系數(shù)。
當(dāng)被測氣體的濕度較大時,應(yīng)考慮水分含量的影響,氣體密度ρ按下式計算:
ρ=ρg+Фρsmax
式中:ρg—為測量條件下干燥氣體密度;Ф—為測量條件下相對濕度;ρsmax—為測量條件下飽和水汽的密度。
1.4 金屬管轉(zhuǎn)子流量計
金屬管轉(zhuǎn)子流量計與玻璃轉(zhuǎn)子流量計具有相同的測量原理,不同的是其錐管由金屬制成,這樣不僅耐高溫、高壓,而且能選擇適當(dāng)?shù)牟馁|(zhì)以適合各種腐蝕性介質(zhì)的流量。流量計采用可變面積式測量原理,應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)手段及元件和器件。流量計主要由三大基本部分組成:測量管;錐形浮子或靶式浮子;指示器。浮子的位移量與流量的大小成比例,通過磁耦合系統(tǒng),以不同接觸方式,將浮子位移量傳給指示器指示出流量的大小。也可配裝不同的轉(zhuǎn)換器,將流量值轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電遠(yuǎn)傳信號,從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離顯示、記錄、積算和控制功能。金屬管轉(zhuǎn)子流量計在指示器的設(shè)計上可以為各種應(yīng)用場合提供可靠適用的功能組合,如現(xiàn)場指針顯示、LCD顯示瞬時和累計流量等。在指示器供電選擇方面有電池供電、24VDC供電、220VAC供電,方式根據(jù)現(xiàn)場情況選擇。
1.5 選型計算
在選型過程中,可以根據(jù)前面介紹的計算公式和相關(guān)設(shè)計樣本來確定轉(zhuǎn)子流量計的型號。本文以轉(zhuǎn)子流量計為例,介紹如何根據(jù)計算公式來確定轉(zhuǎn)子流量計的型號。
已知測量介質(zhì)為液體,最大流量為:Qmax=30m3/h,常用流量最小值Qmin=10m3/h,粘度μy=3.1×10-5pags,密度ρy=810kg/m3,常用壓力py=0.49MPa,常用溫度ty=150℃。根據(jù)條件選出合適的浮子流量計的口徑及浮子號。
選擇11Cr18Ni9Ti材質(zhì)的浮子,其密度為780kg/m3。水在工作狀態(tài)時的密度為954kg/m3,則根據(jù)公式(3)可以得到
代入最大流量Qmax=70m3/h和常用流量最小值Qmin=20m3/h可以求得水的流量范圍Qsmax=66.6m3/h,Qsmin=22.2m2/h。
通過查詢KF10的轉(zhuǎn)子流量計規(guī)格表,可以得知選擇口徑DN100,浮子號K10.2,材質(zhì)1Cr18Ni9Ti。
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