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转子流量计的原理及计算
摘 要：本文介绍转子流量的结构和工作原理，并给出了在液体和气体测量介质的换算方法。最后用一个实例，介绍了转子流量计的选型方法。
关键字：转子流量计 原理 计算
1 概述
转子流量计（Rotometer），又称浮子流量计（FloatTypeFlowmeter），在工业中得到广泛的应用。它可测量液体、气体和蒸气的流量，宜测中小管径（DN4～250）的流量。压力损失小且恒定，测量范围比较宽，量程比1：10，工作可靠且刻度线性，使用维修方便，对仪表前后直管段长度要求不高。其测量精确度为±2%左右，受被测液体的密度、粘度、纯净度以及温度、压力的影响，也受安装垂直度的影响。玻璃管浮子流量计结构简单，成本低，易制成防腐蚀性仪表，但其强度低。金属管浮子流量计可输出标准信号，耐高压，能实现流量的指示、积算、记录、控制和报警等多种功能。
1.1 原理及结构
1.1.1 冲量定理及应用
设一物体的质量为m，作用其上的力为F，实际上流体的速度v，物体变化路程为L。那么根据冲量定理可推出
（1）
1.1.2 测量原理及结构
如果将阻挡体置于直立且具有锥度（上大下小）的管道中，就形成转子式的流量计，它的工作原理如图1所示。
当流量增加时，转子接受流体自下而上的冲力将增加，因而被冲向上方，一到达上面，由于流通截面增加，流速减小，冲力也随之减小。当冲力和差压对转子截面构成的作用力以及粘滞摩擦力等的合力与转子本身在流体中重量相等时，转子即处于一平衡状态，不再上升或下降，这个位置就表示新的流量值。
1.2 计算公式
设转子的显示重量为Wf（N），流体对转子的作用力为F（N），锥形管与转子间环形截面为Sa（m2），转子处最大截面积为Sf（m2），转子体积Vf（m3），转子密度为ρf（Kg/m3），转子长度为L（m），流体介质的密度为ρ（Kg/m3），重力加速度为g（m/s2），则
因为m=ρVf =ρSfL代入（1）式中，整理后得
考虑到实际情况的因素，加一校正系数k变为：
（2）
式中：qm——为质量流量；qv——为体积流量；ψ——为流量系数。ψ与转子形状和雷诺数有关，Sa与转子高度有关。锥管形转子流量计转子的几何形状和选用的材料及被测流体一定时，式（2）等式右边平方根内的值为一常数。当雷诺数大于一定的界限值时，ψ为一常数，这样qm正比于Sa。
1.3 不同测量介质的换算方法
在实际使用转子流量计过程中，由于被测物体的物性（密度、粘度等）和状态（温度、压力等）与实验流体的物性和状态不同，所以必须对测量仪表进行刻度换算和粘度修正，以保证精确度。
1.3.1 液体流量测量的刻度换算
通常测量液体的转子流量计的刻度，都是用水在20℃，1个大气压下标定的。按照下式进行刻度换算：
（3）
式中：Q1——标定时水的体积流量；Q2——使用时被测液体的体积流量；ρf——转子的材质密度；ρ1——标定时的水密度；ρ2—使用时的被测液体密度；a1——水的流量系数；a2——被测粘性液体的流量系数。
当被测液体的密度和水的密度不同但是两者粘度系数相差甚微，即可忽略粘度变化对流量系数造成的影响，a2/a1可以当作1来计算。
1.3.2 气体流量测量的刻度换算
测量气体的浮子流量计通常都是在低压、恒温20℃状态下用压缩空气进行标定的，然后在换算到标准绝对压力为101325Pa、温度为20℃时的流量值对仪表刻度。当仪表用来测量某一工作状态下，任意一种气体的体积流量时，需将仪表所示刻度值换算为工作状态的实际流量值。于气体，可以按照下面公式换算：
（4）
式中：Qn——标定空气在pn，Tn状态下的体积流量，即仪表刻度流量值；Q——被测气体由P，T状态下的体积流量，即仪表刻度流量值；pn=101325Pa，Tn=293.15k（标准状态下的绝对压力和温度）；p，T——被测气体在工作状态下的绝对压力和热力学温度；
pnZn——分别为标定空气在pn，Tn状态下的密度和压缩系数；ρ，Z——分别为标定空气p， T在状态下的密度和压缩系数。
当被测气体的湿度较大时，应考虑水分含量的影响，气体密度ρ按下式计算：
式中：ρg——为测量条件下干燥气体密度；Φ——为测量条件下相对湿度；ρsmax——为测量条件下饱和水汽的密度。
1.4 金属管转子流量计
金属管转子流量计与玻璃转子流量计具有相同的测量原理，不同的是其锥管由金属制成，这样不仅耐高温、高压，而且能选择适当的材质以适合各种腐蚀性介质的流量。流量计采用可变面积式测量原理，应用现代高技术手段及先进的元件和器件。流量计主要由三大基本部分组成：测量管；锥形浮子或靶式浮子；指示器。浮子的位移量与流量的大小成比例，通过磁耦合系统，以不同接触方式，将浮子位移量传给指示器指示出流量的大小。也可配装不同的转换器，将流量值转换成标准的电远传信号，从而实现远距离显示、记录、积算和控制功能。金属管转子流量计在指示器的设计上可以为各种应用场合提供可靠适用的功能组合，如现场指针显示、LCD显示瞬时和累计流量等。在指示器供电选择方面有电池供电、24VDC供电、220VAC供电，方式根据现场情况选择。
1.5 选型计算
在选型过程中，可以根据前面介绍的计算公式和相关设计样本来确定转子流量计的型号。本文以宏控LZZ/D系列转子流量计为例，介绍如何根据计算公式来确定转子流量计的型号。
已知测量介质为液体，最大流量为：Qmax=30m3/h，常用流量最小值Qmin=10m3/h，粘度μy=3.1×10-5pags，密度ρy=810kg/m3，常用压力py=0.49MPa，常用温度ty=150℃。根据条件选出合适的浮子流量计的口径及浮子号。
选择11Cr18Ni9Ti材质的浮子，其密度为780kg/m3。水在工作状态时的密度为954kg/m3，则根据公式（3）可以得到
代入最大流量Qmax=70m3/h和常用流量最小值Qmin=20m3/h可以求得水的流量范围Qsmax=66.6m2/h，Qsmin=22.2m2/h。
通过查询LZZ/D的转子流量计规格表，可以得知选择口径DN100，浮子号K10.2，材质1Cr18Ni9Ti。
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