轉子流量計應用技術研究

李麗敏

【摘 要】本文在分析轉子流量計結構和原理的基礎上，結合其技術特點和應用需求，從流量計算、量值修正以及流量計技術選型和安裝要求等方面進行了較為系統的論述和研究。希望能為廣大計量工作者更好的掌握轉子流量計應用技術，實現對流量的準確測量提供幫助。

【關鍵詞】轉子流量計；應用；技術

【Abstract】In this paper， based on the analysis of the structure and principle of rotameter， combined with its technical characteristics and application requirements， from the flow calculation， value correction and flowmeter technology selection and installation requirements and so on a systematic discussion and research. Hopes to better grasp the rotameter used by workers in the general measurement technique， help realize accurate measurement of the flow.

【Key words】Rotometer； Using； Technology

0 引言

轉子流量計是最常用的節流式流量計之一，具有結構簡單、制造容易、測量范圍寬（量程比可達10：1）、測量精確度較高（誤差±5%左右）、示值直觀、維護方便、壓損小等優點，是現代生活和工業生產中應用最廣泛的計量器具。

在計量技術水平日益發展、測量精度需求不斷提高的今天，計量工作者只有全面了解轉子流量計的結構原理、流量計算、量值影響因素與修正方法、以及流量計的選型、安裝要求，才能選出最符合需求的計量儀表，實現最佳測量效果。作者希望本文給計量工作者帶來些許幫助。

1 轉子流量計結構原理簡析

1.1 結構分析

轉子流量計由兩部件組成，一是從下向上逐漸擴張的錐形管，二是置于錐形管中，可沿管中心線上下移動、密度比流體稍大的轉子（圖1 轉子流量計原理圖）。

錐形管由玻璃、塑料或金屬材質制成。玻璃或塑料材質的錐形管上刻有流量刻度，透過錐管可看到透明流體中轉子的位置及所對應的刻度值；金屬材質錐形管中轉子位置通過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

當測量流體的流量時，流體從錐形管下端流入沖擊轉子，對它產生一個作用力，力的大小隨流量大小而變化；當流量足夠大時，所產生作用力將轉子托起，使之升高；流體經轉子與錐形管壁間的環形斷面從上端流出。當流體對轉子的作用力等于轉子重量時，轉子因受力平衡而停留在某一位置；這個位置與流量有相互對應的關系，據此位置，即可求得流量值。

1.3 流量計算

流量計轉子在錐形管中受三個力：重力、動壓力和浮力，三力平衡時，轉子重力=動壓力+浮力。當流速變大或變小時，轉子將向上或向下移動，流體流動的截面積也發生變化，直至達到平衡時對應的流速，轉子在新的位置上穩定。

因此，轉子穩定時受力關系公式如下：

2 測量值的流體相關性修正

2.1 測量值修正分析

從式（4）可知，被測流體的密度不同，流量大小與轉子高度之間的對用關系也不同。因受標定設備的限制，生產廠商不可能對所有流量計都做實液標定，故測量非標定介質時，應對讀出的測量值進行修正，以保證精確度。

對于液體，其密度為常數，只需修正被測液體和標定液體不同造成的影響即可；而氣體因具有可壓縮性，還應考慮標定狀態和實際狀態不同時溫度和壓力的影響。

通常，標定狀態默認為：溫度T=293.16K，絕對壓力p=101325Pa。根據流量計算公式，進行如下分析：

一方面，設定在標定狀態下，測量標定流體的流量公式為：

2.2 流體密度修正

2.2.1 液體流量的測量值修正

2.2.2 氣體流量的測量值修正

測量非標定狀態下的空氣流量時，可直接使用式（9）計算。但ρ為被測氣體在工作狀態下的密度，實際使用起來較為不便。為此，可以將流體密度和所處狀態分開修正，即先在標定狀態下對被測流體的密度進行修正，然后再進行狀態修正。最后的修正公式為：

2.3 流量系數修正

2.3.1 流量系數與轉子形狀的相關性

由式（4）可以看出，流量系數也是影響測定結果的一個重要參數。它因轉子的形狀不同而有所不同。雖然轉子形狀是制造廠按儀表結構和流量測量范圍選擇合適形狀而設計的，不屬于使用者考慮的范疇，但使用者應了解轉子形狀與測量值準確程度的關系。

一般情況而言，測量同種流體時，哪種形狀的轉子在錐形管中的高度越高，則使用這種轉子的流量計的流量系數就越小，其測量精度就越高。可根據這一特點，選擇更為適合自身需求的轉子流量計。

2.3.2 流量系數與雷諾數的相關性

當流量計的轉子和結構一定時，流量系數主要受雷諾數Re影響。當雷諾數Re較小時，流量系數隨雷諾數Re變化而變化，此時需要對進行關于流量系數的修正（見式7）；當雷諾數達到一定值Remin（臨界雷諾數）后，流量系數基本保持平穩，可視為常數，不需做關于流量系數的修正計算。不同的流量計很難找到一個通用的理論公式來描述流量系數和雷諾數的關系。

由于流體的多樣性和環境的復雜性，流量系數修正存在諸多困難。如果需要進行非常精確的計量，使用者可讓制造商用實際流體對流量計刻度進行校準，如此可直接得到工作環境下的真實量值，不必再進行各種修正。

3 選型與安裝技術分析

3.1 轉子流量計的種類

按錐形管材質的不同，大體可分三類。其中：玻璃管轉子流量計結構簡單，成本低，易制成防腐蝕性儀表，還具有透明度高、讀數直觀、不易破裂、重量輕、壽命長、安裝連接方便等優點。

塑料管轉子流量計則具有體積小、重量輕、錐管不易破碎、耐腐蝕等特點。

金屬管浮子流量計可測量液體、氣體流量，特別適宜低流速小流量的介質測量，可提供瞬時流量、累積流量顯示，或通過輸出標準信號，實現流量指示、積算、記錄、控制和報警等功能。

3.2 選型分析

為保證測量數據的精度，使用者應根據安裝環境、流體物理和化學特性等因素，選擇流量儀表。

（1）若流體為中小流量，壓力小于1MPa，溫度低于100℃，透明無毒，無燃燒爆炸危險，對玻璃無腐蝕無粘附，一般可采用玻璃管轉子流量計。

（2）在空間相對較小，撐重力弱的管路環境，流體為中小流量、壓力較小、溫度較低，可選用塑料管轉子流量計。

（3）若流體為中小流量、易汽化（或易凝結）、有毒易燃易爆，不含磁性物質、纖維和磨損物質，對不銹鋼無腐蝕性，可選普通型金屬管轉子流量計；若流體有腐蝕性，應采用防腐型金屬管轉子流量計；若流體易結晶或汽化或高粘度，應選用帶夾套并帶伴熱或冷卻接口的金屬管轉子流量計。

在高溫或高寒、高壓、有毒環境，應選用具遠傳信息功能的金屬管轉子流量計。

（4）若流體壓力不穩定，尤其用于氣體測量時，應選具阻尼結構的轉子流量計。

3.3 安裝技術要求

正確安裝是流量計正常工作、準確測量的必要條件。一般應遵循如下要求：

（1）轉子流量計須垂直安裝，流體自下而上流過流量計，垂直度優于2°。

（2）進口應有5倍管道直徑以上的直管段，出口應有250mm直管段。

（3）安裝位置適當加裝管道支撐。

（4）流量計旁應加裝旁路管道和旁路閥，在下游安裝單向閥。

（5）測量流體若為臟污介質或含有固體雜質，須在進口處加裝過濾器和定期清洗裝置。

（6）測量流體中若含有鐵磁性物質，應安裝磁過濾器。

（7）帶液晶或鋰電池供電的流量計盡量避免陽光直射和高溫環境（≥65℃）。

（8）測量氣體的工作壓力應不小于流量計壓損的5倍。

4 總結

轉子流量計結構簡單，原理亦不復雜，但是，由于流量計量特性與流體屬性的相關性、以及流體物理性質的千差萬別，使得流量計量技術應用變得非常復雜。不僅流體存在黏度的差異，而且氣體類流體的可壓縮性及熱膨脹性，更加大了流體測量的難度。因此，本文只是作者一些經驗認識和技術分析的歸納整理，有關更加深入的研究，期待眾多的流體計量科研人員提供更有價值的真知灼見。

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[責任編輯：楊玉潔]