浮子流量計介紹
浮子流量計，也被稱為轉(zhuǎn)子流量計，是流量測量領(lǐng)域中一種應(yīng)用極為廣泛的儀表。其核心原理基于浮子在垂直的錐形管內(nèi)，會隨著流體流量的變化而產(chǎn)生升降運動，進而改變浮子與錐形管之間的流通面積，以此來實現(xiàn)對體積流量的精準(zhǔn)測量。在美國與日本，它常被叫做變面積流量計或面積流量計。浮子流量計的發(fā)展歷史源遠(yuǎn)流長，早在 20 世紀(jì)初便已問世。在過去的一百多年里，伴隨著材料科學(xué)、制造工藝以及電子技術(shù)的持續(xù)進步，浮子流量計經(jīng)歷了多次技術(shù)革新與優(yōu)化。從最初較為粗糙的結(jié)構(gòu)，到如今高精度、智能化的產(chǎn)品，它逐漸成為了工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究等眾多領(lǐng)域的流量測量工具。
在全球范圍內(nèi)，浮子流量計的應(yīng)用數(shù)量占比相當(dāng)可觀。1985 年，英國對 72 家企業(yè)的 17000 臺流量儀表展開抽樣調(diào)查，結(jié)果顯示浮子流量計的占比達到了 19.2%。而在我國，1996 年浮子流量計的產(chǎn)量預(yù)估處于 15 萬至 17 萬臺之間，其中玻璃管浮子流量計約占 95%。近年來，隨著國內(nèi)工業(yè)自動化程度的不斷提升，對浮子流量計的需求也在持續(xù)增長，產(chǎn)品種類日益豐富，技術(shù)水平逐漸向標(biāo)準(zhǔn)靠攏。
工作原理
浮子流量計的流量檢測元件主要由一根自下往上逐漸擴大的垂直錐形管，以及一個能夠沿著錐管軸上下移動的浮子構(gòu)成。當(dāng)被測流體從下往上流經(jīng)錐管和浮子所形成的環(huán)隙時，浮子的上下端會產(chǎn)生壓力差，這個壓力差會形成一個推動浮子上升的力。以常見的水在管道中流動為例，當(dāng)水流通過浮子與錐形管的間隙時，浮子下方的水壓明顯大于上方，這種壓力差就會驅(qū)使浮子向上運動。當(dāng)這個上升力大于浸在流體中浮子自身的重量時，浮子便開始上升，此時環(huán)隙面積會隨之增大，環(huán)隙處的流體流速會立刻下降，浮子上下端的差壓也會隨之降低，作用于浮子的上升力同樣減小，直至上升力與浸在流體中浮子的重量達到平衡，浮子就會穩(wěn)定在某一高度。浮子在錐管中的高度與通過的流量之間存在著明確的對應(yīng)關(guān)系，通過預(yù)先標(biāo)定好的刻度，操作人員便能夠直觀地讀取流量數(shù)值。并且，隨著現(xiàn)代傳感器技術(shù)的發(fā)展，一些高精度的浮子流量計還能夠?qū)⒏∽拥奈恢眯畔⑥D(zhuǎn)化為電信號，實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸與監(jiān)控。
結(jié)構(gòu)
透明錐形管浮子流量計
口徑在 15 - 40mm 的透明錐形管浮子流量計，其典型結(jié)構(gòu)中，透明錐形管通常是硼硅玻璃制成，也就是我們通常所說的玻璃管浮子流量計。這類流量計的流量分度方式多樣，有的直接將刻度刻在錐管外壁，方便現(xiàn)場工作人員直接讀數(shù)；也有的在錐管旁另外安裝分度標(biāo)尺，使得讀數(shù)更加清晰、準(zhǔn)確。錐管內(nèi)腔主要有圓錐體平滑面和帶導(dǎo)向棱筋（或平面）這兩種類型。浮子在錐管內(nèi)既可以自由移動，也可以在錐管棱筋的導(dǎo)向下移動。對于較大口徑平滑面內(nèi)壁的儀表，有的還采用導(dǎo)桿導(dǎo)向，以此確保浮子在測量過程中能夠穩(wěn)定運行，有效避免因流體波動等因素導(dǎo)致浮子晃動，進而影響測量精度。玻璃管浮子流量計憑借其結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、讀數(shù)直觀等優(yōu)點，在一些對精度要求不是特別高、測量環(huán)境較為安全的場合，如實驗室小型液體流量測量、普通工業(yè)用水流量監(jiān)測等，得到了廣泛應(yīng)用。
金屬管浮子流量計
典型結(jié)構(gòu)通常適用于口徑 15 - 40mm 以上的儀表。錐管和浮子共同構(gòu)成了流量檢測元件。套管內(nèi)有導(dǎo)桿的延伸部分，通過磁鋼耦合等先進方式，將浮子的位移傳遞給套管外的轉(zhuǎn)換部分。轉(zhuǎn)換部分主要有就地指示和遠(yuǎn)傳信號輸出這兩大類型。除了常見的直角安裝方式的結(jié)構(gòu)，還有進出口中線與錐管同心的直通型結(jié)構(gòu)，通常用于口徑小于 10 - 15mm 的儀表 。金屬管浮子流量計由于采用金屬材質(zhì)，使其具備更強的抗壓、耐高溫能力，能夠適用于一些對環(huán)境要求極為苛刻的工業(yè)場景，如石油化工行業(yè)中的高溫高壓液體流量測量、熱電廠中的高溫蒸汽流量監(jiān)測等。而且，金屬管浮子流量計在防護等級、抗震性能等方面也具有明顯優(yōu)勢，能夠在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中穩(wěn)定運行。
分類
按錐形管材料分類
可分為透明錐形管和金屬錐形管。透明錐形管材料大多采用玻璃，也有部分使用透明工程塑料，如聚苯乙烯、聚碳酸酯、有機玻璃等制成。玻璃管具有良好的透明度，便于操作人員清晰觀察浮子位置和流量變化情況，但無導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的玻璃管儀表在測量氣體時，若操作不當(dāng)容易發(fā)生擊碎現(xiàn)象；而工程塑料材質(zhì)則具有不易擊碎的優(yōu)點，同時重量較輕，成本相對較低，在一些對安全性要求較高、測量精度要求適中的場合，如食品飲料行業(yè)的液體流量測量，具有一定的應(yīng)用優(yōu)勢。金屬管錐形管浮子流量計與透明錐形管浮子流量計相比，能夠用于更高的介質(zhì)溫度和壓力環(huán)境，并且不存在玻璃管被擊碎的風(fēng)險，特別適用于高溫、高壓、強腐蝕性等惡劣工況，如化工原料生產(chǎn)、污水處理等行業(yè)。
按有否遠(yuǎn)傳信號輸出分類
分為就地指示型和遠(yuǎn)傳信號輸出型。就地指示型中，有些透明管浮子流量計以就地指示為主，同時裝有接近開關(guān)，能夠作為流量上下限報警信號輸出。當(dāng)流量超過或低于設(shè)定的閾值時，會及時發(fā)出警報，提醒操作人員及時進行調(diào)整，確保生產(chǎn)過程的穩(wěn)定運行。有些就地指示型金屬管浮子流量計外形與遠(yuǎn)傳信號輸出型相同，只是將浮子位移通過磁耦合傳出，經(jīng)過連桿凸輪等線性化機構(gòu)處理后進行就地指示。遠(yuǎn)傳信號輸出型儀表的轉(zhuǎn)換部分會將浮子位移量轉(zhuǎn)換成電流或氣壓模擬量信號輸出，分別成為電遠(yuǎn)傳浮子流量計和氣遠(yuǎn)傳浮子流量計。這兩種遠(yuǎn)傳型流量計便于實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和自動化控制，在大型工業(yè)生產(chǎn)線上，如汽車制造、鋼鐵冶煉等行業(yè)，能夠通過遠(yuǎn)程監(jiān)控中心實時掌握流量數(shù)據(jù)，及時調(diào)整生產(chǎn)參數(shù)，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。
按被測流體分類
分為液體用、氣體用和蒸汽用 3 種。實際上，多數(shù)浮子流量計同一儀表對于液體和氣體都能進行測量，結(jié)構(gòu)具有通用性。不過，我國浮子流量計行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對流量上限有著明確要求，為液體設(shè)計的儀表用于氣體時往往不符合要求，因此需要為氣體另行設(shè)計浮子和錐管，從而分成了液體和氣體兩種系列。測量蒸汽時，只能使用專門設(shè)計的金屬管浮子流量計，或者在標(biāo)準(zhǔn)型儀表上加裝附加構(gòu)件，以適應(yīng)蒸汽的高溫、高壓特性，確保測量的準(zhǔn)確性和可靠性。例如，在熱電廠的蒸汽流量測量中，就需要使用經(jīng)過特殊設(shè)計的金屬管浮子流量計，以滿足高溫、高壓蒸汽的測量需求。
按被測流體通過浮子流量計的量分類
分為全流型和分流型。全流型是指被測流體全部流過浮子流量計；分流型則只有部分被測流體流過浮子等流量檢測部分，它由裝載在主管道上的標(biāo)準(zhǔn)孔板（或均速管）和較小口徑浮子流量計組合而成，適用于管徑大于 200mm 的較大口徑流量且只需就地指示的場所，價格較為低廉 。分流型浮子流量計結(jié)構(gòu)上又分為分離型和一體型兩種。分離型便于安裝和維護，可根據(jù)實際需求靈活組合，在一些需要經(jīng)常對流量計進行檢修、更換部件的場合具有優(yōu)勢；一體型則結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小，安裝更為簡便，適合在空間有限的工業(yè)現(xiàn)場使用，如小型工廠的管道流量測量。
特點
適用場景
適用于小管徑和低流速的情況。常用儀表口徑在 40 - 50mm 以下，最小口徑能做到 1.5 - 4mm ，可測量低流速小流量。以液體為例，口徑 10mm 以下玻璃管浮子流量計滿度流量時，流速僅在 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流速稍高，在 0.5 - 1.5m/s 之間。在一些實驗室微小流量測量、小型管道流體監(jiān)測等場景中，浮子流量計能夠充分發(fā)揮其優(yōu)勢，提供準(zhǔn)確的流量數(shù)據(jù)。比如在生物制藥實驗室中，對各種試劑的微量流量測量有所要求，浮子流量計能夠滿足這種高精度、小流量的測量需求。
雷諾數(shù)要求低
可用于較低雷諾數(shù)，選用對粘度不敏感形狀的浮子，流通環(huán)隙處雷諾數(shù)只要大于 40 或 500 ，雷諾數(shù)變化時流量系數(shù)就能保持常數(shù)，即流體粘度變化不影響流量系數(shù)，這數(shù)值遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)孔板等節(jié)流差壓式儀表雷諾數(shù)的要求。在測量一些高粘度流體時，浮子流量計依然能夠穩(wěn)定工作，保證測量精度，而其他類型的流量計可能會受到粘度影響而產(chǎn)生較大誤差。例如在油漆生產(chǎn)過程中，需要對高粘度的油漆原料進行流量測量，浮子流量計就能夠準(zhǔn)確測量，確保生產(chǎn)配方的準(zhǔn)確性。
安裝要求
大部分浮子流量計對上游直管段沒有要求，或者要求不高。相比其他一些需要較長上游直管段來穩(wěn)定流場的流量計，浮子流量計在安裝上更加靈活方便，可節(jié)省管道安裝空間和成本，尤其適用于一些空間有限的工業(yè)現(xiàn)場。在一些老舊工廠的管道改造項目中，由于空間受限，浮子流量計的這一優(yōu)勢就能夠得到充分體現(xiàn)，降低了改造難度和成本。
流量范圍與輸出
有較寬的流量范圍度，一般為 10:1，可以做到 5:1，最高 25:1 ，流量檢測元件的輸出接近線性，壓力損失較低。在實際應(yīng)用中，能夠滿足不同流量范圍的測量需求，并且線性輸出特性便于數(shù)據(jù)處理和分析，較低的壓力損失也減少了能源消耗，提高了系統(tǒng)的運行效率。例如在城市供水系統(tǒng)中，不同時段的用水量差異較大，浮子流量計能夠在寬流量范圍內(nèi)準(zhǔn)確測量，為供水調(diào)度提供可靠的數(shù)據(jù)支持。
不同材質(zhì)優(yōu)缺點
玻璃管浮子流量計結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉，現(xiàn)場指示流量使用方便，但有玻璃管易碎的風(fēng)險，尤其是無導(dǎo)向結(jié)構(gòu)浮子用于氣體時；金屬管浮子流量計沒有錐管破裂的風(fēng)險，使用溫度和壓力范圍比玻璃管浮子流量計更寬。在一些對成本敏感且使用環(huán)境較為安全的場合，玻璃管浮子流量計是不錯的選擇；而在高溫、高壓、高振動等惡劣環(huán)境下，金屬管浮子流量計則更具優(yōu)勢。比如在普通居民小區(qū)的自來水流量監(jiān)測中，玻璃管浮子流量計成本低、安裝方便；而在石油開采的井下作業(yè)中，金屬管浮子流量計能夠適應(yīng)高溫、高壓、高振動的惡劣環(huán)境。
安裝方向與管徑限制
大部分結(jié)構(gòu)的浮子流量計只能用于自下向上垂直流的管道安裝，且應(yīng)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，更大管徑只能用分流型儀表。在管道設(shè)計和安裝時，需要充分考慮浮子流量計的這一特性，合理選擇安裝位置和流量計類型。在大型市政工程的大管徑供水管道中，就需要使用分流型浮子流量計來滿足流量測量需求。
示值修正
當(dāng)使用流體和出廠標(biāo)定流體不同時，要對流量示值進行修正。液體用浮子流量計通常以水標(biāo)定，氣體用空氣標(biāo)定，若實際使用流體密度、粘度與之不同，流量就會偏離原分度值，需要換算修正。在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)實際測量流體的特性，查閱相關(guān)的修正系數(shù)表或使用專業(yè)的計算軟件進行修正，以確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。例如在化工生產(chǎn)中，使用不同密度和粘度的化工原料時，就需要對浮子流量計的示值進行準(zhǔn)確修正，保證生產(chǎn)過程的精準(zhǔn)控制。
選用要點
測量對象限制
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適用，因為浮子在液流中附著微?；蛭⑿馀輹绊憸y量值。例如在測量含有雜質(zhì)的污水時，浮子可能會被雜質(zhì)卡住或表面附著雜質(zhì)，導(dǎo)致測量不準(zhǔn)確；在測量含有水霧的氣體時，水霧會在浮子表面凝結(jié)，影響浮子的正常運動和測量精度。在污水處理廠的污水流量測量中，如果污水中雜質(zhì)較多，就不適合使用浮子流量計，而應(yīng)選擇其他更合適的流量計。
指示方式選擇
如果只需要現(xiàn)場指示，首先考慮價格便宜的玻璃管浮子流量計，要是溫度、壓力條件不滿足，就選用就地指示金屬管浮子流量計。玻璃管浮子流量計應(yīng)選擇帶有透明防護罩的，用于氣體時要選用導(dǎo)桿或帶棱筋導(dǎo)向的儀表，以提高其安全性和穩(wěn)定性。如果需要遠(yuǎn)傳輸出信號作總量積算或流量控制，一般選用電信號輸出的金屬管浮子流量計。要是環(huán)境氣氛有防爆要求，且現(xiàn)場有控制儀表用氣源，優(yōu)先考慮氣遠(yuǎn)傳金屬浮子流量計，若選用電遠(yuǎn)傳儀表則必須是防爆型。在化工生產(chǎn)車間等易燃易爆環(huán)境中，氣遠(yuǎn)傳金屬浮子流量計能夠確保在安全的前提下實現(xiàn)流量的遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制。在煉油廠的生產(chǎn)區(qū)域，就需要使用符合防爆要求的氣遠(yuǎn)傳金屬浮子流量計來測量各種易燃易爆氣體的流量。
特殊液體測量
測量不透明液體時，選擇金屬管浮子流量計較為常見，也可選擇帶棱筋錐形管的玻璃管浮子流量計。測量溫度高于環(huán)境溫度的高粘度液體和降溫易析出結(jié)晶或易凝固的液體，應(yīng)選用帶夾套的金屬管浮子流量計，通過夾套中的加熱介質(zhì)或冷卻介質(zhì)，保持被測液體的流動性和穩(wěn)定性，確保測量的準(zhǔn)確性。在石油開采和輸送過程中，經(jīng)常會遇到高粘度原油，帶夾套的金屬管浮子流量計能夠有效應(yīng)對這種情況。在油田的原油輸送管道中，帶夾套的金屬管浮子流量計可以通過加熱介質(zhì)保持原油的流動性，準(zhǔn)確測量原油流量。
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