流量是工業(yè)測量的一個(gè)非常重要的測量方面，可以應(yīng)用于能源的利用、環(huán)境的保護(hù)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、航空航天等很多的領(lǐng)域。由于測量原理的不同，流量計(jì)一般分為四類：分別是質(zhì)量流量計(jì)、速度式流量計(jì)、節(jié)流式差壓流量計(jì)、容積式流量計(jì)。浮子流量計(jì)屬于差壓流量計(jì)范疇。差壓流量計(jì)是目前在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用***廣泛的流量計(jì)之一。

廠家價(jià)格：

價(jià)格	¥ 580.00~3800.00元
起批量	≥1 臺(tái)

規(guī)格選型：

是否進(jìn)口	否	加工定制	是	品牌	江蘇華云
型號(hào)	JL-LZ	類型	金屬管浮子流量計(jì)	測量范圍	0-150（m3/h）
精度等級(jí)	1.5	公稱通徑	DN15-DN150（mm）	適用介質(zhì)	液體 氣體
工作壓力	1.6-4.0（MPa）	工作溫度	-30-120（℃）	規(guī)格	JL-LZ,DN15,JL-LZ,DN25,JL-LZ,DN50,JL-LZ,DN80,JL-LZ,DN100,JL-LZ,DN150

 

 

　　浮子流量計(jì)使用歷史悠久。浮子流量計(jì)的測量原理是在測量介質(zhì)的過程中，始終保持節(jié)流件前后的壓差不變，通過改變流通面積來改變流過浮子流量計(jì)的流量，所以在美國、日本等也把浮子流量計(jì)叫做變面積流量計(jì)(Variable AreaFlowmeter)或面積流量計(jì)。浮子流量計(jì)的量程比一般可達(dá) 10：1，準(zhǔn)確度約為±(1~2)%。

 

　　浮子流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)包括結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、使用便利、壓力損失小、成本不高等，由于其有點(diǎn)眾多，因此在實(shí)驗(yàn)及生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

 

　　早在 1868 年，美國科學(xué)家艾德蒙德·奧古斯丁·卡麥羅伊(Edmond AugustinChamenoy)進(jìn)行了浮子流量計(jì)的專利登記。1910 年，羅達(dá)沃克(Rotarywork)公司開始制造并且銷售浮子流量計(jì)，為了使浮子保持在錐管的中間而不碰到管壁，羅達(dá)沃克公司在浮子上開上螺旋的溝槽，這樣，當(dāng)用流量計(jì)進(jìn)行流量測量的時(shí)候，浮子會(huì)繞著中心軸旋轉(zhuǎn)，就不會(huì)碰到管壁]2,1[。1931 年，玻璃錐管被發(fā)明，發(fā)明者是美國籍科學(xué)家卡米特·菲切爾(Kermit·Fiecher)，他用石墨心軸法研制出玻璃錐管。1937 年，菲切爾·安德魯普公司又發(fā)展改進(jìn)了這種制造方法，開始大規(guī)?；炕纳a(chǎn)玻璃錐管浮子流量計(jì)，從而奠定了工業(yè)用浮子流量計(jì)的制造基礎(chǔ)。20 世紀(jì) 70 年代，德國工程師學(xué)會(huì)(VDI/VDE)經(jīng)過分析多方數(shù)據(jù)，制定了有關(guān)浮子流量計(jì)的專業(yè)標(biāo)準(zhǔn) VDI/VDE3513。

 

　　我國對(duì)浮子流量計(jì)的研究起步較晚，在 20 世紀(jì) 50 年代后期，沈陽玻璃儀器廠首次生產(chǎn)出玻璃管浮子流量計(jì)。60 年代中期，上海光華儀表廠經(jīng)過改進(jìn)研制，

 

　　生產(chǎn)出具有輸出信號(hào)的金屬管浮子流量計(jì)。90 年代左右我國引進(jìn)日本和德國的先進(jìn)技術(shù)，與我國的實(shí)際生產(chǎn)相結(jié)合，生產(chǎn)本國的浮子流量計(jì)]53[ ?。

 

　　浮子流量計(jì)的分類有金屬管浮子流量計(jì)，玻璃管浮子流量計(jì)，孔板浮子流量計(jì)。

 

　　金屬管浮子流量計(jì)采用制作的材料是金屬錐管，由于工作時(shí)浮子的位置和工作情況無法直接觀測到，因此需要用間接的方法測量出浮子的位置，從而求出流量。有遠(yuǎn)傳和就地指示兩種不同的傳輸信號(hào)方式。金屬管浮子流量計(jì)主要用來測量溫度較高、壓力較大的工作條件下的流體，廣泛應(yīng)用于工業(yè)原料配比的計(jì)量，過程控制領(lǐng)域、流量檢測領(lǐng)域和累計(jì)流量等很多領(lǐng)域和方面。

 

　　由于浮子流量計(jì)特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，所以流體粘度對(duì)流量計(jì)測量的準(zhǔn)確度和度有很大影響[10]。因此，當(dāng)測量流體是高粘度流體時(shí)，浮子流量計(jì)是否具有粘度修正對(duì)測量會(huì)有很大的影響。在選取時(shí)候，應(yīng)該選取帶有粘度修正功能的浮子流量計(jì)。研究流體粘度對(duì)浮子流量傳感器影響，歸納推導(dǎo)出浮子流量傳感器粘度修正公式，對(duì)于進(jìn)一步改善測量儀表的度，擴(kuò)大其使用范圍，意義深遠(yuǎn)。
 

1、浮子流量傳感器的工作原理：
  如圖 1-1 所示，浮子流量傳感器包括浮子流量傳感器單元、機(jī)電轉(zhuǎn)換單元和后處理單元三部分。浮子流量傳感器單元是決定測量準(zhǔn)確性與工作穩(wěn)定性的核心環(huán)節(jié)，其結(jié)構(gòu)如圖 1-2 所示，包括錐管和浮子兩部分，其中浮子由上下導(dǎo)向桿固定，可以在錐管中上下移動(dòng)，而不碰到管壁。被測流體自下而上流過浮子流量傳感器時(shí)，浮子受力如圖 1-3 所示，浮子受到重力 G、差壓力 Fp、浮力 Fρ和摩擦阻力 Ff 和粘性剪切力 Ff’五個(gè)力的作用，其中后面四個(gè)力構(gòu)成了浮子上升的升力Fs。若 FS 大于 G，浮子便上升。浮子上升時(shí)，錐管和浮子間的環(huán)形面積隨之增大，由于流體流通面積變大，則流經(jīng)流體流速下降，從而導(dǎo)致浮子上下截面壓差降低，升力 FS 隨之減少。當(dāng) FS 等于 G 時(shí)，浮子便穩(wěn)定在某一高度 h，由 h 即可測得體積流量 qv[11-12]。本文主要研究的是粘性剪切力對(duì)浮子流量傳感器的影響。

        圖1-1浮子流量計(jì)的整體結(jié)構(gòu)示意1.浮子流量傳感器2.機(jī)電轉(zhuǎn)換單元3.信息處理單元

圖1一2浮子流量計(jì)基本結(jié)構(gòu)圖1一3浮子受力

2、浮子流量傳感器的研究現(xiàn)狀：
2.1、浮子流量傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀：
  為了提高浮子流量傳感器在工業(yè)應(yīng)用中的測量精度，國內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)浮子以及錐管形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)并且嚴(yán)格控制工藝流程，取得了很大的進(jìn)展。
  Roger C. Baker 等[13, 14]研究了通過研究浮子流量傳感器的各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，得到不同生產(chǎn)環(huán)節(jié)的差異對(duì)浮子流量傳感器測量性能的影響。H.S. Sondh 等[15, 16]通過大量的實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了頂部為拋物線形的圓錐體、底部為半球形的平截頭圓錐體等浮子形狀。王福斌等[17]通過實(shí)驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)出雙浮子流量傳感器，其測量原理是根據(jù)流量大小選用不同的浮子測量，即使用大浮子測量大流量，使用小浮子測量小流量，從而擴(kuò)展了浮子流量傳感器量程。樸立華等[18]把孔板浮子流量傳感器的浮子設(shè)計(jì)成雙錐形，不僅減低了其壓力損失，而且大大提高了孔板浮子流量傳感器的線性度。

2.2、流體粘度對(duì)浮子流量傳感器測量精度影響的研究：
  目前，大多數(shù)流量傳感器生產(chǎn)廠家是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)或者企業(yè)按照標(biāo)準(zhǔn)自行制定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)，所生產(chǎn)出的流量傳感器的精度和量程是在標(biāo)校條件下水或空氣的精度和刻度。但是，實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，傳感器測量的流體大多是粘性流體。以前，對(duì)粘度不大的流體一般采用的處理方法是把其近似成理想流體進(jìn)行處理。這樣就不用考慮流體粘度對(duì)測量誤差的影響。但是，當(dāng)測量粘度很大的流體時(shí)，會(huì)出現(xiàn)很大的誤差，嚴(yán)重影響傳感器的測量的準(zhǔn)確度和度。為了減低粘性流體對(duì)傳感器的測量影響，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了多種渠道的研究，試圖揭示出粘度對(duì)浮子流量傳感器測量的影響程度。主要從兩方面進(jìn)行研究：一方面是重新設(shè)計(jì)浮子流量傳感器的結(jié)構(gòu)，減低粘度對(duì)其影響；另一方面是結(jié)合大量實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行理論研究，推導(dǎo)出粘度修正曲線或者粘度影響公式，獲得不同粘度的被測流體的流量轉(zhuǎn)換關(guān)系。
  Miller.R.W[19]設(shè)計(jì)出一系列結(jié)構(gòu)特殊的浮子，在一定粘度下，由于其敏感上限值的差異，在實(shí)際測量流體時(shí)不需要進(jìn)行粘度的修正，但從理論層面上沒有解釋其減粘原因。
  伊藤好弘[20]設(shè)計(jì)出雨滴狀的浮子形狀，不僅可以減小粘度對(duì)浮子的影響，而且也降低了由于浮子的自身形狀帶來的壓差損失。
  蘇鋒[21]在獲得了粘性流體浮子流量傳感器數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，通過減小與流動(dòng)方向相平行的浮子表面積，設(shè)計(jì)了一種新型的浮子流量計(jì)，有效的減小粘度影響。

  樸立華[22]設(shè)計(jì)了雙錐形孔板浮子流量計(jì)，與傳統(tǒng)單錐形孔板浮子流量計(jì)相比，新設(shè)計(jì)的雙錐形孔板浮子流量計(jì)在壓力損失和線性度兩個(gè)方面大大改善了流量計(jì)的性能。楊根生等[23]通過大量實(shí)流實(shí)驗(yàn)總結(jié)出粘度對(duì)玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)的測量影響，歸納出 Re'???v、 ?v?? '、 vv Q ?'三條粘度修正曲線，并對(duì)三條曲線進(jìn)行對(duì)比分析，認(rèn)為 vv Q ?'曲線更直觀，應(yīng)用更方便。

  蘇鋒[24]通過深入研究粘性流體對(duì)浮子流量傳感器的影響機(jī)理，建立了粘性流體浮子流量傳感器數(shù)學(xué)模型，并通過大量粘性試驗(yàn)，證明了其有效性。
  樸立華[25]通過在可變粘度流量測量裝置上對(duì)口徑是 25mm 的孔板浮子流量計(jì)進(jìn)行大量的實(shí)流實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出孔板浮子流量傳感器粘度修正公式的一般形式。

  郭小麗[26]通過大量實(shí)驗(yàn)、CFD 數(shù)值計(jì)算和理論推導(dǎo)，提出了基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的多項(xiàng)式擬合密度粘度修正法、基于 CFD 的孔板浮子流量傳感器粘度影響研究法和相似模型等效法的粘性介質(zhì)流量計(jì)算法，并對(duì)三種方法進(jìn)行了分析對(duì)比。

轉(zhuǎn)子流量計(jì)原理與計(jì)算：
1　概述
　　轉(zhuǎn)子流量計(jì)(Rotometer),又稱浮子流量計(jì)(FloatTypeFlowmeter),在工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。它可測量液體、氣體和蒸氣的流量,宜測中小管徑(DN4～250)的流量。壓力損失小且恒定,測量范圍比較寬,量程比1:10,工作可靠且刻度線性,使用維修方便,對(duì)儀表前后直管段長度要求不高。其測量度為±2%左右,受被測液體的密度、粘度、純凈度以及溫度、壓力的影響,也受安裝垂直度的影響。玻璃管浮子流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡單,成本低,易制成防腐蝕性儀表,但其強(qiáng)度低。金屬管浮子流量計(jì)可輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),耐高壓,能實(shí)現(xiàn)流量的指示、積算、記錄、控制和報(bào)警等多種功能。
1.1　原理及結(jié)構(gòu)
1.1.1　沖量定理及應(yīng)用
　　設(shè)一物體的質(zhì)量為m,作用其上的力為F,實(shí)際上流體的速度v,物體變化路程為L。那么根據(jù)沖量定理可推出

1.1.2　測量原理及結(jié)構(gòu)
　　如果將阻擋體置于直立且具有錐度(上大下小)的管道中,就形成轉(zhuǎn)子式的流量計(jì),它的工作原理如圖1所示。

　　當(dāng)流量增加時(shí),轉(zhuǎn)子接受流體自下而上的沖力將增加,因而被沖向上方,一到達(dá)上面,由于流通截面增加,流速減小,沖力也隨之減小。當(dāng)沖力和差壓對(duì)轉(zhuǎn)子截面構(gòu)成的作用力以及粘滯摩擦力等的合力與轉(zhuǎn)子本身在流體中重量相等時(shí),轉(zhuǎn)子即處于一平衡狀態(tài),不再上升或下降,這個(gè)位置就表示新的流量值。
1.2　計(jì)算公式
　　設(shè)轉(zhuǎn)子的顯示重量為Wf(N),流體對(duì)轉(zhuǎn)子的作用力為F(N),錐形管與轉(zhuǎn)子間環(huán)形截面為Sa(m2),轉(zhuǎn)子處***大截面積為Sf(m2),轉(zhuǎn)子體積Vf(m3),轉(zhuǎn)子密度為ρf(Kg/m3),轉(zhuǎn)子長度為L(m),流體介質(zhì)的密度為ρ(Kg/m3),重力加速度為g(m/s2),則

　　式中:qm—為質(zhì)量流量;qv—為體積流量;ψ—為流量系數(shù)。ψ與轉(zhuǎn)子形狀和雷諾數(shù)有關(guān),Sa與轉(zhuǎn)子高度有關(guān)。錐管形轉(zhuǎn)子流量計(jì)轉(zhuǎn)子的幾何形狀和選用的材料及被測流體一定時(shí),式(2)等式右邊平方根內(nèi)的值為一常數(shù)。當(dāng)雷諾數(shù)大于一定的界限值時(shí),ψ為一常數(shù),這樣qm正比于Sa。
1.3　不同測量介質(zhì)的換算方法
　　在實(shí)際使用轉(zhuǎn)子流量計(jì)過程中,由于被測物體的物性(密度、粘度等)和狀態(tài)(溫度、壓力等)與實(shí)驗(yàn)流體的物性和狀態(tài)不同,所以必須對(duì)測量儀表進(jìn)行刻度換算和粘度修正,以保證度。
1.3.1　液體流量測量的刻度換算
　　通常測量液體的轉(zhuǎn)子流量計(jì)的刻度,都是用水在20℃,1個(gè)大氣壓下標(biāo)定的。按照下式進(jìn)行刻度換算:

　　式中:Q1—標(biāo)定時(shí)水的體積流量;Q2—使用時(shí)被測液體的體積流量;ρf—轉(zhuǎn)子的材質(zhì)密度;ρ1—標(biāo)定時(shí)的水密度;ρ2—使用時(shí)的被測液體密度;a1—水的流量系數(shù);a2—被測粘性液體的流量系數(shù)。
　　當(dāng)被測液體的密度和水的密度不同但是兩者粘度系數(shù)相差甚微,即可忽略粘度變化對(duì)流量系數(shù)造成的影響,a2/a1可以當(dāng)作1來計(jì)算。
1.3.2　氣體流量測量的刻度換算
　　測量氣體的浮子流量計(jì)通常都是在低壓、恒溫20℃狀態(tài)下用壓縮空氣進(jìn)行標(biāo)定的,然后在換算到標(biāo)準(zhǔn)壓力為101325Pa、溫度為20℃時(shí)的流量值對(duì)儀表刻度。當(dāng)儀表用來測量某一工作狀態(tài)下,任意一種氣體的體積流量時(shí),需將儀表所示刻度值換算為工作狀態(tài)的實(shí)際流量值。于氣體,可以按照下面公式換算:

　　式中:Qn—標(biāo)定空氣在pn,Tn狀態(tài)下的體積流量,即儀表刻度流量值;Q—被測氣體由P,T狀態(tài)下的體積流量,即儀表刻度流量值;pn=101325Pa,Tn=293.15k(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的壓力和溫度);p,T—被測氣體在工作狀態(tài)下的壓力和熱力學(xué)溫度;PnZn—分別為標(biāo)定空氣在pn,Tn狀態(tài)下的密度和壓縮系數(shù);ρ,Z—分別為標(biāo)定空氣p,T在狀態(tài)下的密度和壓縮系數(shù)。
當(dāng)被測氣體的濕度較大時(shí),應(yīng)考慮水分含量的影響,氣體密度ρ按下式計(jì)算:
ρ=ρg+Фρsmax
　　式中:ρg—為測量條件下干燥氣體密度;Ф—為測量條件下相對(duì)濕度;ρsmax—為測量條件下飽和水汽的密度。
1.4　金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)
　　金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)與玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)具有相同的測量原理,不同的是其錐管由金屬制成,這樣不僅耐高溫、高壓,而且能選擇適當(dāng)?shù)牟馁|(zhì)以適合各種腐蝕性介質(zhì)的流量。流量計(jì)采用可變面積式測量原理,應(yīng)用現(xiàn)代高技術(shù)手段及先進(jìn)的元件和器件。流量計(jì)主要由三大基本部分組成:測量管;錐形浮子或靶式浮子;指示器。浮子的位移量與流量的大小成比例,通過磁耦合系統(tǒng),以不同接觸方式,將浮子位移量傳給指示器指示出流量的大小。也可配裝不同的轉(zhuǎn)換器,將流量值轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電遠(yuǎn)傳信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離顯示、記錄、積算和控制功能。金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)在指示器的設(shè)計(jì)上可以為各種應(yīng)用場合提供可靠適用的功能組合,如現(xiàn)場指針顯示、LCD顯示瞬時(shí)和累計(jì)流量等。在指示器供電選擇方面有電池供電、24VDC供電、220VAC供電,方式根據(jù)現(xiàn)場情況選擇。
1.5　選型計(jì)算
　　在選型過程中,可以根據(jù)前面介紹的計(jì)算公式和相關(guān)設(shè)計(jì)樣本來確定轉(zhuǎn)子流量計(jì)的型號(hào)。本文以科達(dá)KF10系列轉(zhuǎn)子流量計(jì)為例,介紹如何根據(jù)計(jì)算公式來確定轉(zhuǎn)子流量計(jì)的型號(hào)。

　　已知測量介質(zhì)為液體,***大流量為:Qmax=30m3/h,常用流量***小值Qmin=10m3/h,粘度μy=3.1×10-5pags,密度ρy=810kg/m3,常用壓力py=0.49MPa,常用溫度ty=150℃。根據(jù)條件選出合適的浮子流量計(jì)的口徑及浮子號(hào)。
　　選擇11Cr18Ni9Ti材質(zhì)的浮子,其密度為780kg/m3。水在工作狀態(tài)時(shí)的密度為954kg/m3,則根據(jù)公式(3)可以得到

　　代入***大流量Qmax=70m3/h和常用流量***小值Qmin=20m3/h可以求得水的流量范圍Qsmax=66.6m3/h,Qsmin=22.2m2/h。
通過查詢KF10的轉(zhuǎn)子流量計(jì)規(guī)格表,可以得知選擇口徑DN100,浮子號(hào)K10.2,材質(zhì)1Cr18Ni9Ti。

2.3、浮子流量傳感器內(nèi)部流場的情況分析：
  計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，簡稱 CFD)是利用計(jì)算機(jī)的數(shù)值計(jì)算功能和圖像顯示功能，對(duì)一些包含有流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)等的相關(guān)物理現(xiàn)象進(jìn)行系統(tǒng)分析的科學(xué)。把 CFD 應(yīng)用到流體測量領(lǐng)域，不但能快速準(zhǔn)確設(shè)計(jì)出產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)參數(shù)，而且能夠反映出流場內(nèi)部速度、壓力分布以及其他流動(dòng)情況，具有設(shè)計(jì)周期較短、成本不高等特點(diǎn)。目前，眾多學(xué)者都采用 CFD 方法對(duì)浮子流量傳感器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和粘度影響研究。
  德國學(xué)者 Bueckle.U 和 Durst.F[27,28]首次使用 CFD 方法即數(shù)值仿真方法對(duì)浮子流量傳感器進(jìn)行研究，并運(yùn)用激光多普勒測速技術(shù)(LDA)對(duì) CFD 方法的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)二者具有很好的一致性。
  徐英[29]利用 CFD 技術(shù)對(duì)浮子流量傳感器進(jìn)行研究，提出“浮子等效受力平衡度誤差分析法”，把數(shù)值仿真和實(shí)流實(shí)驗(yàn)有效結(jié)合起來，并對(duì)傳感器內(nèi)流場進(jìn)行了深入分析。
  葉佳敏[30]等對(duì)水平式金屬管浮子流量計(jì)進(jìn)行了三維仿真研究，結(jié)合相關(guān)實(shí)流實(shí)驗(yàn)，研究了內(nèi)部流場特征并且進(jìn)一步優(yōu)化了流量計(jì)。
  樸立華[31]把 CFD 技術(shù)引用孔板浮子流量傳感器的研究中，結(jié)合實(shí)驗(yàn)和理論研究，提出了雙錐形孔板浮子流量傳感器的模型。
  郭小麗[32]使用 CFD 仿真方法，確立了孔板浮子流量傳感器粘度影響的仿真方案，通過仿真很好的預(yù)測不同粘度的流體流經(jīng)孔板浮子流量傳感器時(shí)的示值誤差。

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