浮子流量計:電子儀表-中文百科頻道

工作原理

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着錐管軸上下移動的浮子組所組成。

其主要工作原理是，被測流體經過錐形管和浮子組成的環隙時，浮子上下端産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的重量時，浮子便上升，環隙面積随之增大，環隙處的流體流速立即下降，浮子上下端的上升力亦是随之減小，直到上升力等于浸在流體中得浮子重量時，浮子便穩定在某一高度，浮子在錐形管中高度和通過的流量有對應的關系。

結構

口徑15-40mm透明錐形管浮子流量計典型結構如圖2所示。透明錐形管4用得最普遍是由硼矽玻璃制成，習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标尺。

錐管内腔有圓錐體平滑面和帶導向棱筋（或平面）兩種。浮子在錐管内自由移動，或在錐管棱筋導向下移動，較大口平滑面内壁儀表還有采用導杆導向。

直角型安裝方式金屬管浮子流量計典型結構，通常适用于口徑15-40mm以上儀表。錐管5和浮子4組成流量檢測元件。套管（圖3未表示）内有導杆3的延伸部分，通過磁鋼耦合等方式，将浮子的位移傳給套管外的轉換部分。

轉換部分有就地指示和遠傳信号輸出兩大類型。除直角安裝方式結構外還有進出口中線與錐管同心的直通型結構，通常用于口徑小于10-15mm的儀表。

分類

時常上定型産品和特殊型儀表從不同角度可作不同分類，如：

按錐形管材料分為透明錐形管和金屬錐形管。

按有否遠傳信号輸出分為就地指示型和遠傳信号輸出型，後者又分為觸電信号和電信号兩種。

按被測流體分為液體用、氣體用和蒸汽。

按被測流體通過浮子流量計的量分為全流型和分流型。

按錐形管材料分類類型

（1）透明錐形管浮子流量計

透明錐形管材料用得最多的是玻璃，無導向結構儀表測量氣體時操作不慎，玻璃管易被擊碎；還有用透明工程塑料如聚苯乙烯、聚碳酸酯、有機玻璃等制成，具有不易擊碎之優點。

（2）金屬管錐形管浮子流量計

與透明錐形管浮子流量計相比，可用于較高的介質溫度和壓力，且無玻璃管浮子流量計錐管被擊碎的潛在危險。圖3所示典型結構是錐形管與殼體制成一體結構，也有錐管套入殼體的分離結構，改變流量規格隻要調換不同圓錐角的錐管，使用較為靈便。

按有否遠傳信号輸出分類類型

（1）就地指示型浮子流量計

有些透明管浮子流量計以就地指示為主，裝有接近開關，作流量上下限報警信号輸出。

有些就地指示型金屬管浮子流量計外形與遠傳信号輸出相同，隻是将浮子位移通過磁耦合傳出，經連杆凸輪等線性化機構處理後就地指示。

（2）遠傳信号輸出型浮子流量計

遠傳信号輸出型儀表的轉換部分将浮子位移量轉換成電流或氣壓模拟量信号輸出，分别成為電遠傳浮子流量計和氣遠傳浮子流量計。

按被測流體分類類型

分為液體用、氣體用和蒸汽用3種。

實際上大部分浮子流量計同一儀表可用于液體也可用于氣體，結構上是通用的。隻是我國浮子流量計行業标準等（如JB/T 6844-9。

3）規定流量上限Qmax必須符合（1，1.6，2.5，4或6）×10nL/h的要求（n為正負整數或零），為液體（以水為代表）設計的儀表用于氣體（以空氣為代表）時，不符合上述要求，隻能為氣體另行設計浮子和錐管，就分成液體和氣體兩種系列。

國外有些制造廠同一儀表并列液、氣兩種流體的流量範圍，當然流量值就不可能都是圓整值；國内有些型号儀表也采用本辦法。但是液體用和氣體用設計還是有區别的，例如氣體儀表浮子設計得較輕，防浮子振蕩跳動的阻尼件結構各異等。

測量蒸汽隻能用專門設計的金屬管浮子流量計或在标準型儀表上加裝附加構件，例如增加帶散熱片的液體阻尼件，以減少浮子跳動；與指示轉換部分連接處隔以散熱片。

按被測流體通過浮子流量計的量分類類型

1）全流型　即被測流體全部流過浮子流量計的儀表

2）分流型　相對于全流型隻有部分被測流體流過浮子等流量檢測部分。分流型浮子流量計由裝載主管道上标準孔闆（或均速管）和較小口徑浮子流量計組合而成，應用與管徑大于200mm的較大口徑流量和隻要就地指示的場所，價格低廉。分流型浮子流量計結構上分為分離型和一體型兩種。

一體型儀表将孔闆和浮子流量計組裝在短管段上，直接裝到待測管道，原理與結構示意圖如圖4所示，安裝方便。有适用于水平和垂直管道兩種結構，但均隻能安裝在便于讀取儀表示值的場所。主管道管徑通常為50-300mm，孔闆的孔徑比（β）在0.3-0.7之間，差壓在0.6-100KPa之間，浮子流量計口徑為10-25mm。

分流型浮子流量計的選用流速可比全流型高，液體流速可達2.5-3m/s，甚至高達4-5m/s。由于分流管中置有限流小孔闆，起到補償主孔闆流量和差壓間平方根非線性關系，流量示值基本是線性的，有較寬的範圍度，一般為10：1。精确度為2.5%-4%FS。

特點

浮子流量計使用于小管徑和低流速。常用儀表口徑40-50mm以下，最小口徑做到1.5-4mm。

适用于測量低流速小流量，以液體為例，口徑10mm以下玻璃管浮子流量計滿度流量的名義管徑，流速隻在0.2-0.6m/s之間，甚至低于0.1m/s；金屬管浮子流量計和口徑大于15mm的玻璃管浮子流量計稍高些，流速在0.5-1.5m/s之間。

浮子流量計可用于較低雷諾數，選用粘度不敏感形狀的浮子，流通環隙處雷諾數隻要大于40或500，雷諾數變化流量系數即保持常數，亦即流體粘度變化不影響流量系數。這數值遠低于标準孔闆等節流差壓式儀表最低雷諾數104-105的要求。

大部分浮子流量計沒有上遊直管段要求，或者說對上遊直管段要求不高。

浮子流量計有較寬的流量範圍度，一般為10：1，最低為5：1，最高為25：1。流量檢測元件的輸出接近于線性。壓力損失較低。

玻璃管浮子流量計結構簡單，價格低廉。隻要在現場指示流量者使用方便，缺點是有玻璃管易碎的風險，尤其是無導向結構浮子用于氣體。

金屬管浮子流量計無錐管破裂的風險。與玻璃管浮子流量計相比，使用溫度和壓力範圍寬。

大部分結構浮子流量計隻能用于自下向上垂直流的管道安裝。

浮子流量計應用局限于中小管徑，普通全流型浮子流量計不能用于大管徑，玻璃管浮子流量計最大口徑100mm，金屬管浮子流量計為150mm，更大管徑隻能用分流型儀表。

使用流體和出廠标定流體不同時，要作流量示值修正。液體用浮子流量計通常以水标定，氣體用空氣标定，如實際使用流體密度、粘度與之不同，流量要偏離原分度值，要作換算修正。

選用要點

選擇

浮子流量計主要測量對象是單相液體或氣體，液體中含有微粒固體或氣體中含有液滴通常不适用。因為浮子在液流中附着微粒或微小氣泡均會影響測量值，例如微流量儀表使用一段時期後浮子附着肉眼不出的附着層，也會改變流量示值百分之幾。

如隻要現場指示，首先考慮價廉的玻璃管浮子流量計，如溫度、壓力不能勝任則選用就地指示金屬管浮子流量計。玻璃管浮子流量計應選帶有透明防護罩，一旦玻璃錐管破裂，可擋住流體正向散濺，以作緊急處理。用于氣體時應選用導杆或帶棱筋導向的儀表，以避免操作不慎浮子擊碎錐管。

如需要遠傳輸出信号作總量積算或流量控制，一般選用電信号輸出的金屬管浮子流量計。如環境氣氛有防爆要求而現場又有控制儀表用氣源，則優先考慮氣遠傳金屬浮子流量計，若選用電遠傳儀表則必須是防爆型。

測量不透明液體時選擇金屬管浮子流量計較為普遍，但也可選擇帶棱筋錐形管的玻璃管浮子流量計，借助浮子最大直徑與棱筋接觸的痕迹，以判讀浮子的位置。測量溫度高于環境溫度的高粘度液體和降溫易析出結晶或易凝固的液體，應選用帶夾套的金屬管浮子流量計。

範圍

這裡所謂實際使用狀态介質密度，液體是指使用時的密度，氣體指使用狀态下的密度，或标準狀态下密度進行使用壓力和溫度的修正。通常儀表刻度的流量範圍，液體是常溫水标定值，氣體是空氣标定換算到工程标準狀态（20℃，0.10133MPa）的值。将實際使用密度按式（4）或式（5）換算後再選擇合适的流量範圍和口徑，但必須是使用介質粘度與标定介質粘度相接近，亦即認為α不變的前提下使用。

液體

（4）式中　Q水－待選定用水實流标定儀表的最大流量，L/h；

Q－被測液體的最大流量，L/h；

ρf－浮子密度，g/cm3，對于空心的浮子ρf=Gf/V，Gf為浮子質量（g），V為浮子體積，cm3；

ρ，ρ水－被測液體和水的密度，g/cm3。

氣體

（5）式中　Q空－待選定用空氣實流标定儀表的最大流量，m3/h；

Q－被測氣體的最大流量，m3/h；

ρ－被測氣體的密度，kg/m3；

P－被測氣體使用狀态下絕對壓力，MPa；

T－被測氣體使用狀态下熱力學溫度，K。

應用概況

浮子流量計作為直觀流動指示或測量精确度要求不高的現場指示儀表，占浮子流量計應用的90%以上，被廣泛地用在電力、石化、化工、冶金、醫藥等流程工業和污水處理等公用事業。有些應用場所隻要監測流量不超過或不低于某值即可，例如電纜惰性保護氣流量增加說明産生了新的洩漏點。循環冷卻和培養槽等水或空氣減流斷流報警等場所可選用有上限或下限流量報警的玻璃管浮子流量計。

環境保護大氣采樣和流程工業在線監測的分析儀器連續取樣，采樣的流量監控也是浮子流量計的大宗服務對象。

作為流程工業液位、密度等其他參量的測量中，定流量測量和控制的輔助儀表，應用得非常普遍，亦占有相當份額。

帶信号輸出的遠傳金屬浮子流量計在流程工業常用作流量控制檢測儀表或管線混合配比，如給水處理過程控制原水加藥液的配比量。

注意事項

儀表安裝方向

絕大部分浮子流量計必須垂直安裝在無振動的管道上，不應有明顯的傾斜，流體自下而上流過儀表。圖6說是為管道連接示例，裝有旁路管系以便不斷流進行維護。浮子流量計中心線與鉛垂線間夾角一般不超過5度，高精度（1.5級以上）儀表θ≤20°。如果θ=12°則會産生1%附加誤差。儀表無嚴格上遊直管段長度要求，但也有制造廠要求（2-5）D長度的，實際上必要性不大。