浮子流量计的测量原理

浮子流量计是以浮子在垂直锥形管中随着流量变化而升降，改变它们之间的流通面积来进行测量的体积流量仪表，又称转子流量计。20 世纪初本类仪表在德国取名为罗托计 ( Rotameter ) ，即盛行于欧洲，然而在美国、日本常称作变面积流量计（ Variable Arer Flowmeter ）或面积流量计；但实际上只是变面积流量计的一个品种，只是由于浮子流量在变面积流量计中占了绝大多数，习惯上就以变面积流量计称之。

    浮子流量计原理设想发韧于 19 世纪 60 年代， 20 世纪初出现商品。 20 世纪 30 年代后期碳芯轴法工艺为大量生产玻璃锥形管创造条件，奠定了浮子流量计工业应用的基础。 40 一 50 年代欧洲美国相继进行开发和性能研究，特别是美国 Fischer 和 Porier 公司在提高性能和扩展品种方面作出了贡献，例如减少液体粘度影响和有输出信号等，使应用领域得到很大扩展。我国于 50 年代后期首先由沈阳玻璃仪器厂提供玻璃管浮子流量计， 60 年代中期上海光华仪表厂首家提供带输出信号金属锥形管浮子流量计。 1985 一 1987 年间日本、西欧、美国浮子流量计销售金额占流量仪表的 11 ％一 17 % ，我国 1990 年约占 14 ％。从应用台数所占比例来看， 1985 年英国抽样调查 72 家企业 17000 台流量仪表中浮子流量计占 19 .2 ％。我国浮子流量计产量 1996 年估计在 15 万一 17 万台之间，其中 95 ％左右为玻璃管浮子流量计。

浮子流量计原理和结构

    浮子流量计的流量检测元件是由一根自下向上扩大的垂直锥形管和一个沿着锥管轴上下移动的浮子组所组成。工作原理如图 6 . 1 所示，被测流体从下向上经过锥管 1 和浮子 2 形成的环隙 3 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亦随着减小，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。浮子在锥管中高度和通过的流量有对应关系。

体积流量 Q 的基本方程式为

a ― 仪表的流量系数，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

•  F ― 流通环形面积， m2

g ― 当地重力加速度， m/s2 ；

Vf －浮子体积，如有延伸体亦应包括， m3

ρf －浮子材料密度， kg/m3 ；

ρ ― 被测流体密度，如为气体是在浮子上游横截面上的密度， kg/m3 ；

Ff 一浮子工作直径（最大直径）处的横截面积 m2 ；

G 一浮子质量， kg 。

流通环形面积与浮子高度之间的关系如式（ 6.3 ）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。

式中

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。

口径 15 一 40 透明锥形管浮子流量计典型结构如图 6 . 2 所示。透明锥形管 4 用得最普遍是由硼硅玻璃制成，习惯简称玻璃管浮子流量计。流量分度直接刻在锥管 4 外壁上，也有在锥管旁另装分度标尺。锥管内腔有圆锥体平滑面和带导向棱筋（或平面）两种。浮子在锥管内自由移动，或在锥管棱筋导向下移动，较大口平滑面内壁仪表还有采用导杆导向，如图 6 . 4 ( a ）所示。

6 . 3 是直角型安装方式金属管浮子流量计典型结构，通常适用于口径 15 ～ 40 以上仪表。锥管 5 和浮子 4 组成流量检测元件，检测元件也有由孔板和锥形浮塞组成，如图 6 . 4 ( f ）所示。套管（图 6 . 3 未表示）内有导杆 3 的延伸部分，通过磁钢藕合等方式，将浮子的位移传给套管外的转换部分。转换部分有就地指示和远传信号输出两大类型。除直角安装方式结构外还有进出口中线与锥管同心的直通型结构，通常用于口径小于 10 ～ 15mm 的仪表。图 6 . 4 所示是透明锥形管（或透明直管）浮子流量计和金属管浮子流量计各种结构的例子。