摘要:從浮子流量計(jì)的結(jié)構(gòu)原理、應(yīng)用特點(diǎn)、刻度轉(zhuǎn)換幾個(gè)方面介紹了浮子流量計(jì)的設(shè)計(jì)過(guò)程和應(yīng)用。氣體介質(zhì)如何實(shí)現(xiàn)標(biāo)況瞬時(shí)流量與工況瞬時(shí)流量的4種換算計(jì)算，將浮子流量計(jì)的應(yīng)用系統(tǒng)化、公式化，便于廠家設(shè)計(jì)參考和工程應(yīng)用計(jì)算。
　　浮子流量計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、流量示值直觀、易于維護(hù)和壓力損失小的優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)得到廣泛的應(yīng)用。中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院早期起草了《玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)檢定規(guī)程》和《金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)檢定規(guī)程》，后期又合并為《轉(zhuǎn)子流量計(jì)》，而最新的檢定規(guī)程是《JJG257－2007浮子流量計(jì)》。浮子流量計(jì)一般工作壓力不大于0.6MPa，分為:玻璃浮子流量計(jì)，金屬管浮子流量計(jì)和特種浮子流量計(jì)(如醫(yī)用氧量調(diào)量)。浮子流量計(jì)可作為瞬時(shí)流量計(jì)，水、氣、油均可以設(shè)計(jì)選用，可用作標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)、用作流量試驗(yàn)裝置指示流量、過(guò)程控制、泄露量監(jiān)控、流體能力指示，用作可視閥門［1］。
1結(jié)構(gòu)和原理
1.1流量計(jì)算
　　浮子流量計(jì)的測(cè)量本體由一根自下向上擴(kuò)大的垂直錐管和一只可以沿著錐管軸向自由移動(dòng)的浮子組成，當(dāng)被測(cè)流體自錐管下端流入流量計(jì)時(shí)，由于流體的作用，浮子上下端面產(chǎn)生一差壓，該差壓即為浮子的上升力。當(dāng)差壓值大于浸在流體中浮子的重量時(shí)，浮子開始上升。隨著浮子的上升，浮子最大外徑與錐管之間的環(huán)形面積逐漸增大，流體的流速則相應(yīng)下降，作用在浮子上的上升力逐漸減小，直至上升力等于浸在流體中的浮子的重量時(shí)，浮子便穩(wěn)定在某一高度上。這時(shí)浮子在錐管中的高度h與所通過(guò)的流量qv有對(duì)應(yīng)的關(guān)系［2］。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　式中，v為流體通過(guò)環(huán)隙面積的平均流速，C為阻力系數(shù)(常數(shù))，Vf為浮子的體積，ρf為浮子的材料密度，ρ為流體介質(zhì)的密度，g為重力加速度，Af為浮子的迎流面積。由公式可得，不管浮子流量計(jì)的浮子停留在什么位置，流體流過(guò)環(huán)隙面積的平均流速v值是沒(méi)有變化的。A是環(huán)隙面積大小，也就是說(shuō)瞬時(shí)體積流量qv的大小，只與A環(huán)隙面積大小有關(guān)，瞬時(shí)流量越大，環(huán)隙面積越大，浮子位置越高;反之瞬時(shí)流量越小，環(huán)隙面積越小，浮子位置越低［3－4］。

　　式中α為流量系數(shù)，φ為錐管夾角，K為常數(shù)。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)確定以后，即介質(zhì)密度為常數(shù)，瞬時(shí)體積流量與浮子的高度之間成線性關(guān)系。而大量的實(shí)驗(yàn)表明，浮子流量計(jì)的流量系數(shù)α與浮子的幾何形狀和流動(dòng)雷諾數(shù)ＲeD有關(guān):對(duì)于一定的浮子形狀，當(dāng)雷諾數(shù)ＲeD大于某一個(gè)臨界數(shù)以后，流量系數(shù)α將趨于一個(gè)常數(shù):有些資料中提及，如果錐半角足夠小，則可忽略二次項(xiàng)進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，這種方法是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模��?jì)算誤差大于10%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了誤差范圍［5－6］。

1.2出廠標(biāo)定
　　對(duì)于不同的流體，介質(zhì)密度不同，瞬時(shí)流量與浮子高度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系也不盡相同，原來(lái)的流量刻度就不再適用，所以浮子流量計(jì)應(yīng)該用實(shí)際的流體介質(zhì)進(jìn)行標(biāo)定。但是，對(duì)于生產(chǎn)廠家而言，由于出廠標(biāo)定設(shè)備的局限性，不可能有各種實(shí)際流體機(jī)制的標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)浮子流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定，在一般情況下，大部分生產(chǎn)廠家只能用水或者空氣進(jìn)行標(biāo)定。因此，如果浮子流量計(jì)用來(lái)測(cè)量非標(biāo)定介質(zhì)時(shí)，應(yīng)該對(duì)浮子流量計(jì)的讀數(shù)進(jìn)行修正，即刻度換算。
1.3量程換算
　　當(dāng)浮子流量計(jì)的浮子幾何形狀一致時(shí)，改變浮子的材料，就可以改變浮子的密度，即改變浮子流量計(jì)的量程。浮子材料的密度增加，浮子流量計(jì)的量程擴(kuò)大;密度減小，則量程縮小。如果浮子流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和出廠標(biāo)定的浮子材料不同時(shí)，則還需要引入浮子密度的流量修正值，當(dāng)然這種情況比較少見(jiàn)，一般出廠時(shí)，流量計(jì)浮子與錐管都已經(jīng)確定。
2應(yīng)用特點(diǎn)
　　最簡(jiǎn)單的浮子流量計(jì)由浮子和錐管兩個(gè)部件組成，數(shù)十元的制造成本，有些使用場(chǎng)合甚至可以免維護(hù)，可用于低雷諾數(shù)的測(cè)量場(chǎng)合，適用于小管徑和低流速。壓力損失小，對(duì)上游直管段要求比較低，有較寬的流量范圍，量程比一般為10∶1，雙浮子結(jié)構(gòu)的量程比甚至可以達(dá)到50∶1。玻璃管浮子流量計(jì)顯示的流量值多是直接刻印在透明玻璃外表面上，目測(cè)浮子停留位置即可，而金屬管浮子流量計(jì)往往測(cè)量高溫、高壓、危險(xiǎn)性流體，不能用人眼來(lái)觀察浮子位置，采用了磁感應(yīng)顯示機(jī)構(gòu)。
3刻度換算
3.1液體刻度換算

　　當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)介質(zhì)與標(biāo)定介質(zhì)粘度相差比較大時(shí)，則需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定，而不能認(rèn)為α標(biāo)=α現(xiàn)。不管是同一種液體還是不同種液體的現(xiàn)場(chǎng)流量和標(biāo)定流量換算，都可以應(yīng)用上述計(jì)算公式［7］。
3.2氣體刻度換算
　　氣體浮子流量計(jì)，廠家一般用標(biāo)況狀態(tài)下的空氣(20℃，101.325kPa)檢定，由于氣體受工況溫度、壓力影響比較大，不僅僅是現(xiàn)場(chǎng)介質(zhì)與標(biāo)定介質(zhì)不同需要轉(zhuǎn)換，同一種氣體在工況和標(biāo)況之間也需要轉(zhuǎn)換。由于浮子自身的密度要比氣體大很多，所以可以近似認(rèn)為ρf－ρ現(xiàn)=ρf－ρ標(biāo)，這樣公式可以推導(dǎo)出針對(duì)氣體浮子流量計(jì)的簡(jiǎn)化版:
1)同一種氣體

　　這樣已知標(biāo)定氣體的標(biāo)況瞬時(shí)流量就可以求出該氣體的工況瞬時(shí)流量值。該氣體的標(biāo)況瞬時(shí)流量直接看標(biāo)定好的刻度線，氣體的工況瞬時(shí)流量通過(guò)上述公式計(jì)算后得到。
2)不同氣體

c)這樣已知?dú)怏w1的工況瞬時(shí)流量就可以求出氣體2的標(biāo)況瞬時(shí)流量值。
拓展推導(dǎo)容易得出:

d)這樣已知?dú)怏w1的標(biāo)況瞬時(shí)流量就可以求出氣體2的標(biāo)況瞬時(shí)流量值。
上述一共有4種計(jì)算公式:
氣體1工況求氣體2工況;
氣體1標(biāo)況求氣體2工況(常用);
氣體1工況求氣體2標(biāo)況;
氣體1標(biāo)況求氣體2標(biāo)況(常用)。
　　不難看出，不同氣體的4個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式中，如果稍作轉(zhuǎn)換，就是同一種氣體的計(jì)算公式。由于浮子流量計(jì)刻度值都是標(biāo)況刻度值，因此上述4個(gè)公式中有2個(gè)較為常用［8－10］。
4計(jì)算實(shí)例
命題1:刻度為空氣的一臺(tái)氣體浮子流量計(jì)測(cè)量氧氣，假設(shè)工況溫度和壓力與刻度狀態(tài)相同，求浮子流量計(jì)示值穩(wěn)定在30m3/h刻度時(shí)，氧氣的工況瞬時(shí)流量為多少?
分析可得，命題是氣體1的標(biāo)況體積流量求氣體2的工況體積流量值，因此應(yīng)用如下公式:

命題3:一臺(tái)用水標(biāo)定的液體浮子流量計(jì)，測(cè)量硝酸，不考慮粘度對(duì)液體流量的影響，計(jì)算浮子流量計(jì)浮子穩(wěn)定在2000L/h時(shí)硝酸的體積流量為多少?已知浮子材料為不銹鋼，密度7920m3/h，檢定介質(zhì)水密度998.2m3/h，被測(cè)介質(zhì)硝酸密度1512m3/h。

3結(jié)論
　　從浮子流量計(jì)的結(jié)構(gòu)原理、應(yīng)用特點(diǎn)、刻度轉(zhuǎn)換三個(gè)方面介紹了浮子流量計(jì)的設(shè)計(jì)過(guò)程和應(yīng)用。詳細(xì)闡述了如何進(jìn)行液體和氣體介質(zhì)的換算計(jì)算，將浮子流量計(jì)的應(yīng)用系統(tǒng)化，公式化。

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