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什么是浮子流量测量

点击次数:37  发布时间:2020-10-14

1.结构原理

浮子流量传感器的结构如图所示,它的流量测量元件是由一根自下向上扩的垂直锥形管和一个置于锥形管中并可沿着锥管轴上下自由移动的浮子所组成。被测流体从下向上经过锥管和浮子形成的环隙时,浮子上下端产生差压形成浮子上升的力,当浮子所受上升力大于浸在流体中浮子重量时,浮子便上升,环隙面积随之增大,环隙处流体流速立即下降,浮子上下端差压降低,作用于浮子的上升力随着减少,直到上升力等于浸在流体中浮子重量时,浮子便稳定在某一高度。在稳定工况下,浮子在锥管中高度和通过的体积流量之间有一定的比例关系。因此,可以根据浮子的位置得到体积流量。

 

2.流量公式

当流体沿测量元件的锥形管自下而上地通过浮子而使浮子稳定地悬浮在某一高度时,浮子主要受三个力的作用而处于平衡状态。

 

(1) 迎面差压阻力

流体流经浮子时,由于节流作用,使得浮子上下游产生差压△P,该差压的大小和流体在浮子与锥形管壁间环形通道中的平均流速的平方成正比,即:

                  (4-23)

所以,迎面差压阻力为:

            (4-24)

其中,Ff——浮子工作直径(最大直径)处的横截面积,㎡;——流体流经环形面积时的平均流速,m/s;β——被测流体密度,如被测介质为气体则为浮子上游横截面上的密度,kg/m³;C——阻力系数。

 

 

(2) 浮子受到的浮力

                     (4-25)

其中,Vf——浮子体积,如有延伸体也应包括,m³;g——当地重力加速度,m/s

 

 

(3) 浮子自重

                     (4-26)

其中,ρf——浮子材料密度,kg/m³

在稳定工况下,即浮子在流体中处于平衡时,有:

                  (4-27)

将式(4-24)、(4-25)和(4-26)代入式(4-27),可得:

                  (4-28)

由上式可以看出,不管浮子停留在什么位置,流体流过环形面积的平均流速是一个常数。引入流体膨胀系数,可推得体积流量公式:

      (4-29)

其中,△F——流通环形面积,㎡;α——仪表的流量系数,等于,因浮子形状而异;ε——被测流体为气体时气体膨胀系数,通常由于此系数校正量很小而被忽略,且通过校验已将它包括在流量系数内;如为液体则ε=1

当浮子为非实芯中空结构(放负重调整量)时,则:

           (4-30)

其中 :Gf——浮子质量,kg

流通环形面积与浮子高度之间的关系如式(4-31)所示,当结构设计已定,则d、β为常量。式中有h的二次项,一般不能忽略此非线性关系,只有在圆锥角很小时,才可视为近似线性。

         (4-31)

其中:d——浮子最大直径(即工作直径),m;h——浮子从锥管内径等于浮子最大直径处上升高度,m;β——锥管的圆锥角;a、b——常数。

将式(4-31)代入(4-29),可得:

         (4-32)

可见,对于一定的锥形管和一定的流体,Gf、Vf、ρ、Ffβ和d等均为常数,体积流量qv是流量系数a和浮子高度h的函数。只要能够保持仪表的流量系数a为常数,则体积流量a与浮子高度qv之间就存在一一对应的关系,当圆锥角很小时,体积流量与浮子高度成线性关系。测得浮子高度就可得到体积流量。但是,流量系数a与浮子的几何形状和流动雷诺数有关。当形状一定时,当雷诺数大于某一界限雷诺数后,流量系数将趋于一常数,体积流量和浮子高度之间成基本线性关系。当实际雷诺数小于界限雷诺数时,流量系数将随雷诺数变化,同时被测介质密度也会发生变化,必须进行修正。

这里还要说明的是在浮子流量测量过程中,始终保持浮子前后的压降不变,所以浮子流量测量又称为恒压降流量测量,有时可以一种特例归为差压式流量测量类。

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