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BURKERT流量計(jì)結(jié)構(gòu)原理、流量計(jì)算和選型安裝論述
量計(jì)結(jié)構(gòu)和原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合其技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用需求，從流量計(jì)算、量值修正以及流量計(jì)技術(shù)選型和安裝要求等方面進(jìn)行了較為系統(tǒng)的論述和研究。 希望能為廣大計(jì)量工作者更的掌握轉(zhuǎn)子流量計(jì)應(yīng)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的準(zhǔn)確測(cè)量提供幫助。
0 引言
轉(zhuǎn)子流量計(jì)是常用的節(jié)流式流量計(jì)之一，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、測(cè)量范圍寬 ( 量程比可達(dá) 10:1) 、測(cè)量度較高 ( 誤差 ±5％ 左右 ) 、示值直觀、維護(hù)方便、壓損小等，是現(xiàn)代生活和工業(yè)中應(yīng)用廣泛的計(jì)量器具。
在計(jì)量技術(shù)水平日益發(fā)展、測(cè)量精度需求不斷提高的今天，計(jì)量工作者只有了解轉(zhuǎn)子流量計(jì)的結(jié)構(gòu)原理、流量計(jì)算、量值影響因素與修正方法、以及流量計(jì)的選型、安裝要求，才能選出需求的計(jì)量?jī)x表，實(shí)現(xiàn)測(cè)量效果。 作者希望本文給計(jì)量工作者帶來些許幫助。
1 轉(zhuǎn)子流量計(jì)結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)析
1.1 結(jié)構(gòu)分析
轉(zhuǎn)子流量計(jì)由兩部件組成， 一是從下向上逐漸擴(kuò)張的錐形管，二是置于錐形管中，可沿管線上下移動(dòng)、密度比流體稍大的轉(zhuǎn)子（圖1 轉(zhuǎn)子流量計(jì)原理圖）。錐形管由玻璃、塑料或金屬材質(zhì)制成。 玻璃或塑料材質(zhì)的錐形管上刻有流量刻度，透過錐管可看到透明流體中轉(zhuǎn)子的位置及所對(duì)應(yīng)的刻度值； 金屬材質(zhì)錐形管中轉(zhuǎn)子位置通過磁性耦合等方式傳遞管外，在面板上顯示量值。
1.2 工作原理
當(dāng)測(cè)量流體的流量時(shí)，流體從錐形管下端流入沖擊轉(zhuǎn)子，對(duì)它產(chǎn)生一個(gè)作用力，力的大小隨流量大小而變化；當(dāng)流量足夠大時(shí)，所產(chǎn)生作用力將轉(zhuǎn)子托起，使之升高；流體經(jīng)轉(zhuǎn)子與錐形管壁間的環(huán)形斷面從上端流出。 當(dāng)流體對(duì)轉(zhuǎn)子的作用力等于轉(zhuǎn)子重量時(shí)，轉(zhuǎn)子因受力平衡而停留在某一位置；這個(gè)位置與流量有相互對(duì)應(yīng)的關(guān)系，據(jù)此位置，即可求得流量值。
1.3 流量計(jì)算
流量計(jì)轉(zhuǎn)子在錐形管中受三個(gè)力：重力、動(dòng)壓力和浮力，三力平衡時(shí)，轉(zhuǎn)子重力 = 動(dòng)壓力 + 浮力。 當(dāng)流速變大或變小時(shí)，轉(zhuǎn)子將向上或向下移動(dòng)，流體流動(dòng)的截面積也發(fā)生變化，直達(dá)到平衡時(shí)對(duì)應(yīng)的流速，轉(zhuǎn)子在新的位置上穩(wěn)定。因此，轉(zhuǎn)子穩(wěn)定時(shí)受力關(guān)系公式如下：
V （ ρ t －ρ f ） g＝△p · A （ 1 ）
其中： ρ t - 轉(zhuǎn)子密度； ρ f - 流體密度； g- 重力加速度； V- 轉(zhuǎn)子體積；△p- 轉(zhuǎn)子前后壓差； A- 轉(zhuǎn)子大截面積。
轉(zhuǎn)子流量計(jì)原理圖
結(jié)合公式（ 1 ），并參照孔板流量計(jì)流量與節(jié)流壓差間的關(guān)系方程式：
公式1【公式1】
得轉(zhuǎn)子流量計(jì)流量公式：
公式2【公式2】
其中： Q v - 流量值； a 0 - 流量系數(shù)（與轉(zhuǎn)子形狀、流體狀態(tài)、流量計(jì)結(jié)
構(gòu)和流體物理性質(zhì)等因素有關(guān)， 只能由實(shí)驗(yàn)來確定）； A 0 - 環(huán)隙面積，對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子高度 h ；近似有： A 0 =ch ；系數(shù) c 與轉(zhuǎn)子和錐形管的幾何形狀及尺寸有關(guān)； ρ t - 轉(zhuǎn)子密度； ρ f —流體密度； A t - 轉(zhuǎn)子大截面積。
流量方程式可寫成：公式3【公式3】
由公式（ 4 ）可知，轉(zhuǎn)子的停浮高度 h 與流量 q v 成對(duì)應(yīng)關(guān)系；根據(jù)高度的不同來標(biāo)刻流量值，即可在實(shí)際應(yīng)用中即時(shí)讀取流量值。
2 測(cè)量值的流體相關(guān)性修正
2.1 測(cè)量值修正分析
從式（ 4 ）可知，被測(cè)流體的密度不同，流量大小與轉(zhuǎn)子高度之間的對(duì)用關(guān)系也不同。 因受標(biāo)定設(shè)備的限制，廠商不可能對(duì)所有流量計(jì)都做實(shí)液標(biāo)定，故測(cè)量非標(biāo)定介質(zhì)時(shí)，應(yīng)對(duì)讀出的測(cè)量值進(jìn)行修正，以度。
對(duì)于液體，其密度為常數(shù)，只需修正被測(cè)液體和標(biāo)定液體不同造成的影響即可；而氣體因具有可壓縮性，還應(yīng)考慮標(biāo)定狀態(tài)和實(shí)際狀態(tài)不同時(shí)溫度和壓力的影響。
通常，標(biāo)定狀態(tài)默認(rèn)為：溫度 T=293.16K ，壓力 p=101325Pa 。根據(jù)流量計(jì)算公式，進(jìn)行如下分析：
一方面，設(shè)定在標(biāo)定狀態(tài)下，測(cè)量標(biāo)定流體的流量公式為：
公式5
式中： Q v0 - 標(biāo)定狀態(tài)下標(biāo)定流體的流量示值； a 0 - 標(biāo)定狀態(tài)標(biāo)定流體的流量系數(shù)； ρ 0 - 流體在標(biāo)定狀態(tài)下的密度。
另一方面，設(shè)定流量計(jì)在工作狀態(tài)下，測(cè)量被測(cè)流體的流量公式為：
公式6
式中： Q v - 工作狀態(tài)下被測(cè)流體的流量示值； a- 工作狀態(tài)被測(cè)流體的流量系數(shù)； ρ- 流體在工作狀態(tài)下的密度。
由式（ 5 ）和式（ 6 ）可以看出，在實(shí)際工作狀態(tài)下，被測(cè)流體的實(shí)際流量為 q v ，但轉(zhuǎn)子在高度 h 處，轉(zhuǎn)子流量計(jì)的顯示仍然是 q v0 。 比較式（ 5 ）和式（ 6 ），可以得出 Q v 和 Q v0 之間的關(guān)系，即流量修正公式為：
公式7
實(shí)驗(yàn)表明，流量系數(shù) a 與雷諾數(shù) Re 和流量計(jì)結(jié)構(gòu)有關(guān)，當(dāng)被測(cè)流體的黏度與標(biāo)定流體的黏度相差不大時(shí)，或在流量系數(shù) a 為常數(shù)的流量范圍內(nèi)，可不考慮 a 的影響，即可以認(rèn)為 a＝a 0 ，所以（ 7 ）式可以簡(jiǎn)化為：
公式8
若被測(cè)流體的黏度相對(duì)標(biāo)定流體的黏度相差較大，則應(yīng)考慮黏度
差異對(duì)實(shí)際流量系數(shù) a 與標(biāo)定流量系數(shù) a 0 間的差異，參照式（ 8 ）進(jìn)行
修正或進(jìn)行實(shí)際標(biāo)定，不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為 a＝a 0 。
2.2 流體密度修正
2.2.1 液體流量的測(cè)量值修正
流量計(jì)對(duì)液態(tài)類流體的測(cè)量示數(shù)通常采用水為參照流體，在標(biāo)定狀態(tài)下進(jìn)行標(biāo)定。 實(shí)際測(cè)量非水液體流量時(shí)，只需修正被測(cè)液體和標(biāo)定液體（水）之間密度差異而造成的影響，即可按（ 8 ）式進(jìn)行修正換算。此時(shí)， ρ 0 為標(biāo)定流體的密度， ρ 為被測(cè)流體的密度。
2.2.2 氣體流量的測(cè)量值修正
流量計(jì)對(duì)氣態(tài)類流體的測(cè)量示數(shù)采用空氣為參照物，在標(biāo)定狀態(tài)下進(jìn)行標(biāo)定。由于氣體的密度受溫度、壓力變化的影響較大，故不僅應(yīng)隨著被測(cè)氣體與標(biāo)定氣體之間的密度不同進(jìn)行換算，而且要隨工作狀態(tài)時(shí)溫度和壓力與標(biāo)定狀態(tài)的不同進(jìn)行修正換算。為簡(jiǎn)化氣體流量值的修正，一般可以忽略黏度對(duì)流量系數(shù)的影響，而且，對(duì)于氣體來說，由于 ρ t ＞＞ρ 0 ， ρ t ＞＞ρ ，則由（ 8 ）式可得：
公式9
測(cè)量非標(biāo)定狀態(tài)下的空氣流量時(shí)，可直接使用式（ 9 ）計(jì)算。但 ρ 為被測(cè)氣體在工作狀態(tài)下的密度，實(shí)際使用起來較為不便。為此，可以將流體密度和所處狀態(tài)分開修正，即在標(biāo)定狀態(tài)下對(duì)被測(cè)流體的密度進(jìn)行修正，然后再進(jìn)行狀態(tài)修正。 后的修正公式為：
公式10
其中： p 0 - 標(biāo)定狀態(tài)下的壓力； p- 工作狀態(tài)下的壓力； T 0 -標(biāo)定狀態(tài)下的溫度； T- 工作狀態(tài)下的溫度； ρ′- 被測(cè)氣體在標(biāo)定狀態(tài)下的密度。
2.3 流量系數(shù)修正
2.3.1 流量系數(shù)與轉(zhuǎn)子形狀的相關(guān)性
由式 (4) 可以看出，流量系數(shù)也是影響測(cè)定結(jié)果的一個(gè)重要參數(shù)。它因轉(zhuǎn)子的形狀不同而有所不同。雖然轉(zhuǎn)子形狀是制造廠按儀表結(jié)構(gòu)和流量測(cè)量范圍選擇合適形狀而設(shè)計(jì)的， 不屬于使用者考慮的范疇，但使用者應(yīng)了解轉(zhuǎn)子形狀與測(cè)量值準(zhǔn)確程度的關(guān)系。一般情況而言，測(cè)量同種流體時(shí)，哪種形狀的轉(zhuǎn)子在錐形管中的高度越高，則使用這種轉(zhuǎn)子的流量計(jì)的流量系數(shù)就越小，其測(cè)量精度就越高。 可根據(jù)這一特點(diǎn)，選擇更為適合自身需求的轉(zhuǎn)子流量計(jì)。
