0 引言

        轉(zhuǎn)子流量計(jì)是非常常用的節(jié)流式流量計(jì)之一，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、測(cè)量范圍寬 ( 量程比可達(dá) 10:1) 、測(cè)量精確度較高 ( 誤差 ±5％ 左右 ) 、示值直觀、維護(hù)方便、壓損小等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代生活和工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛的計(jì)量器具。

 

        在計(jì)量技術(shù)水平日益發(fā)展、測(cè)量精度需求不斷提高的今天，計(jì)量工作者只有全面了解轉(zhuǎn)子流量計(jì)的結(jié)構(gòu)原理、流量計(jì)算、量值影響因素與修正方法、以及流量計(jì)的選型、安裝要求，才能選出非常符合需求的計(jì)量?jī)x表，實(shí)現(xiàn)非常佳測(cè)量效果。 作者希望本文給計(jì)量工作者帶來(lái)些許幫助。

 

1 轉(zhuǎn)子流量計(jì)結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)析

1.1 結(jié)構(gòu)分析

        轉(zhuǎn)子流量計(jì)由兩部件組成， 一是從下向上逐漸擴(kuò)張的錐形管，二是置于錐形管中，可沿管中心線(xiàn)上下移動(dòng)、密度比流體稍大的轉(zhuǎn)子（圖1 轉(zhuǎn)子流量計(jì)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(guò)錐管可看到透明流體中轉(zhuǎn)子的位置及所對(duì)應(yīng)的刻度值； 金屬材質(zhì)錐形管中轉(zhuǎn)子位置通過(guò)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(dāng)測(cè)量流體的流量時(shí)，流體從錐形管下端流入沖擊轉(zhuǎn)子，對(duì)它產(chǎn)生一個(gè)作用力，力的大小隨流量大小而變化；當(dāng)流量足夠大時(shí)，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(dāng)流體對(duì)轉(zhuǎn)子的作用力等于轉(zhuǎn)子重量時(shí)，轉(zhuǎn)子因受力平衡而停留在某一位置；這個(gè)位置與流量有相互對(duì)應(yīng)的關(guān)系，據(jù)此位置，即可求得流量值。

 

1.3 流量計(jì)算

        流量計(jì)轉(zhuǎn)子在錐形管中受三個(gè)力：重力、動(dòng)壓力和浮力，三力平衡時(shí)，轉(zhuǎn)子重力 = 動(dòng)壓力 + 浮力。 當(dāng)流速變大或變小時(shí)，轉(zhuǎn)子將向上或向下移動(dòng)，流體流動(dòng)的截面積也發(fā)生變化，直至達(dá)到平衡時(shí)對(duì)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(shí)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。

        結(jié)合公式（ 1 ），并參照孔板流量計(jì)流量與節(jié)流壓差間的關(guān)系方程式：

        【公式1】

        得轉(zhuǎn)子流量計(jì)流量公式：

        【公式2】

        其中： Q v - 流量值； a 0 - 流量系數(shù)（與轉(zhuǎn)子形狀、流體狀態(tài)、流量計(jì)結(jié)

 

        構(gòu)和流體物理性質(zhì)等因素有關(guān)， 只能由實(shí)驗(yàn)來(lái)確定）； A 0 - 環(huán)隙面積，對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子高度 h ；近似有： A 0 =ch ；系數(shù) c 與轉(zhuǎn)子和錐形管的幾何形狀及尺寸有關(guān)； ρ t - 轉(zhuǎn)子密度； ρ f —流體密度； A t - 轉(zhuǎn)子非常大截面積。

 

        流量方程式可寫(xiě)成：【公式3】

 

        由公式（ 4 ）可知，轉(zhuǎn)子的停浮高度 h 與流量 q v 成對(duì)應(yīng)關(guān)系；根據(jù)高度的不同來(lái)標(biāo)刻流量值，即可在實(shí)際應(yīng)用中即時(shí)讀取流量值。

 

2 測(cè)量值的流體相關(guān)性修正

2.1 測(cè)量值修正分析

        從式（ 4 ）可知，被測(cè)流體的密度不同，流量大小與轉(zhuǎn)子高度之間的對(duì)用關(guān)系也不同。 因受標(biāo)定設(shè)備的限制，生產(chǎn)廠商不可能對(duì)所有流量計(jì)都做實(shí)液標(biāo)定，故測(cè)量非標(biāo)定介質(zhì)時(shí)，應(yīng)對(duì)讀出的測(cè)量值進(jìn)行修正，以保證精確度。

 

        對(duì)于液體，其密度為常數(shù)，只需修正被測(cè)液體和標(biāo)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(biāo)定狀態(tài)和實(shí)際狀態(tài)不同時(shí)溫度和壓力的影響。

 

        通常，標(biāo)定狀態(tài)默認(rèn)為：溫度 T=293.16K ，絕對(duì)壓力 p=101325Pa 。根據(jù)流量計(jì)算公式，進(jìn)行如下分析：

        一方面，設(shè)定在標(biāo)定狀態(tài)下，測(cè)量標(biāo)定流體的流量公式為：

          

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

        另一方面，設(shè)定流量計(jì)在工作狀態(tài)下，測(cè)量被測(cè)流體的流量公式為：

         

        式中： Q v - 工作狀態(tài)下被測(cè)流體的流量示值； a- 工作狀態(tài)被測(cè)流體的流量系數(shù)； ρ- 流體在工作狀態(tài)下的密度。

        由式（ 5 ）和式（ 6 ）可以看出，在實(shí)際工作狀態(tài)下，被測(cè)流體的實(shí)際流量為 q v ，但轉(zhuǎn)子在高度 h 處，轉(zhuǎn)子流量計(jì)的顯示仍然是 q v0 。 比較式（ 5 ）和式（ 6 ），可以得出 Q v 和 Q v0 之間的關(guān)系，即流量修正公式為：

           

        實(shí)驗(yàn)表明，流量系數(shù) a 與雷諾數(shù) Re 和流量計(jì)結(jié)構(gòu)有關(guān)，當(dāng)被測(cè)流體的黏度與標(biāo)定流體的黏度相差不大時(shí)，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(rèn)為 a＝a 0 ，所以（ 7 ）式可以簡(jiǎn)化為：

           

        若被測(cè)流體的黏度相對(duì)標(biāo)定流體的黏度相差較大，則應(yīng)考慮黏度

差異對(duì)實(shí)際流量系數(shù) a 與標(biāo)定流量系數(shù) a 0 間的差異，參照式（ 8 ）進(jìn)行

修正或進(jìn)行實(shí)際標(biāo)定，不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為 a＝a 0 。

 

2.2 流體密度修正

2.2.1 液體流量的測(cè)量值修正

        流量計(jì)對(duì)液態(tài)類(lèi)流體的測(cè)量示數(shù)通常采用水為參照流體，在標(biāo)定狀態(tài)下進(jìn)行標(biāo)定。 實(shí)際測(cè)量非水液體流量時(shí)，只需修正被測(cè)液體和標(biāo)定液體（水）之間密度差異而造成的影響，即可按（ 8 ）式進(jìn)行修正換算。此時(shí)， ρ 0 為標(biāo)定流體的密度， ρ 為被測(cè)流體的密度。

 

2.2.2 氣體流量的測(cè)量值修正

        流量計(jì)對(duì)氣態(tài)類(lèi)流體的測(cè)量示數(shù)采用空氣為參照物，在標(biāo)定狀態(tài)下進(jìn)行標(biāo)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(cè)氣體與標(biāo)定氣體之間的密度不同進(jìn)行換算，而且要隨工作狀態(tài)時(shí)溫度和壓力與標(biāo)定狀態(tài)的不同進(jìn)行修正換算。為簡(jiǎn)化氣體流量值的修正，一般可以忽略黏度對(duì)流量系數(shù)的影響，而且，對(duì)于氣體來(lái)說(shuō)，由于 ρ t ＞＞ρ 0 ， ρ t ＞＞ρ ，則由（ 8 ）式可得：

           

        測(cè)量非標(biāo)定狀態(tài)下的空氣流量時(shí)，可直接使用式（ 9 ）計(jì)算。但 ρ 為被測(cè)氣體在工作狀態(tài)下的密度，實(shí)際使用起來(lái)較為不便。為此，可以將流體密度和所處狀態(tài)分開(kāi)修正，即先在標(biāo)定狀態(tài)下對(duì)被測(cè)流體的密度進(jìn)行修正，然后再進(jìn)行狀態(tài)修正。 非常后的修正公式為：

            

        其中： p 0 - 標(biāo)定狀態(tài)下的絕對(duì)壓力； p- 工作狀態(tài)下的絕對(duì)壓力； T 0 -標(biāo)定狀態(tài)下的絕對(duì)溫度； T- 工作狀態(tài)下的絕對(duì)溫度； ρ′- 被測(cè)氣體在標(biāo)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

        由式 (4) 可以看出，流量系數(shù)也是影響測(cè)定結(jié)果的一個(gè)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(cè)量范圍選擇合適形狀而設(shè)計(jì)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(cè)量值準(zhǔn)確程度的關(guān)系。一般情況而言，測(cè)量同種流體時(shí)，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(jì)的流量系數(shù)就越小，其測(cè)量精度就越高。 可根據(jù)這一特點(diǎn)，選擇更為適合自身需求的轉(zhuǎn)子流量計(jì)。

 

2.3.2 流量系數(shù)與雷諾數(shù)的相關(guān)性

        當(dāng)流量計(jì)的轉(zhuǎn)子和結(jié)構(gòu)一定時(shí)，流量系數(shù)主要受雷諾數(shù) Re 影響。當(dāng)雷諾數(shù) Re 較小時(shí)，流量系數(shù)隨雷諾數(shù) Re 變化而變化，此時(shí)需要對(duì)進(jìn)行關(guān)于流量系數(shù)的修正（見(jiàn)式 7 ）；當(dāng)雷諾數(shù)達(dá)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(jì)算。不同的流量計(jì)很難找到一個(gè)通用的理論公式來(lái)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(jìn)行非常精確的計(jì)量，使用者可讓制造商用實(shí)際流體對(duì)流量計(jì)刻度進(jìn)行校準(zhǔn)，如此可直接得到工作環(huán)境下的真實(shí)量值，不必再進(jìn)行各種修正。

 

3 選型與安裝技術(shù)分析

3.1 轉(zhuǎn)子流量計(jì)的種類(lèi)

        按錐形管材質(zhì)的不同，大體可分三類(lèi)。其中：玻璃管轉(zhuǎn)子流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，易制成防腐蝕性?xún)x表，還具有透明度高、讀數(shù)直觀、不易破裂、重量輕、壽命長(zhǎng)、安裝連接方便等優(yōu)點(diǎn)。塑料管轉(zhuǎn)子流量計(jì)則具有體積小、重量輕、錐管不易破碎、耐腐蝕等特點(diǎn)。

        金屬管浮子流量計(jì)可測(cè)量液體、氣體流量，特別適宜低流速小流量的介質(zhì)測(cè)量，可提供瞬時(shí)流量、累積流量顯示，或通過(guò)輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)流量指示、積算、記錄、控制和報(bào)警等功能。

 

3.2 選型分析

        為保證測(cè)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(xué)特性等因素，選擇流量?jī)x表。

        （ 1 ）若流體為中小流量，壓力小于 1MPa ，溫度低于 100℃ ，透明無(wú)毒，無(wú)燃燒爆炸危險(xiǎn)，對(duì)玻璃無(wú)腐蝕無(wú)粘附，一般可采用玻璃管轉(zhuǎn)子流量計(jì)。

        （ 2 ）在空間相對(duì)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(jì)。

        （ 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(duì)不銹鋼無(wú)腐蝕性 , 可選普通型金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)；若流體有腐蝕性，應(yīng)采用防腐型金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)；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(jì)。

在高溫或高寒、高壓、有毒環(huán)境，應(yīng)選用具遠(yuǎn)傳信息功能的金屬管

轉(zhuǎn)子流量計(jì)。

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

 

3.3 安裝技術(shù)要求

        正確安裝是流量計(jì)正常工作、準(zhǔn)確測(cè)量的必要條件。 一般應(yīng)遵循如下要求：

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

        （ 2 ）進(jìn)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(dāng)加裝管道支撐。

        （ 4 ）流量計(jì)旁應(yīng)加裝旁路管道和旁路閥，在下游安裝單向閥。

        （ 5 ）測(cè)量流體若為臟污介質(zhì)或含有固體雜質(zhì) , 須在進(jìn)口處加裝過(guò)濾器和定期清洗裝置。

        （ 6 ）測(cè)量流體中若含有鐵磁性物質(zhì)，應(yīng)安裝磁過(guò)濾器。

        （ 7 ）帶液晶或鋰電池供電的流量計(jì)盡量避免陽(yáng)光直射和高溫環(huán)境（ ≥65℃ ）。

        （ 8 ）測(cè)量氣體的工作壓力應(yīng)不小于流量計(jì)壓損的 5倍。

 

4 總結(jié)

        轉(zhuǎn)子流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，原理亦不復(fù)雜，但是，由于流量計(jì)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(wàn)別，使得流量計(jì)量技術(shù)應(yīng)用變得非常復(fù)雜。 不僅流體存在黏度的差異，而且氣體類(lèi)流體的可壓縮性及熱膨脹性，更加大了流體測(cè)量的難度。因此，本文只是作者一些經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí)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(jì)量科研人員提供更有價(jià)值的真知灼見(jiàn)。