水平安装式金属管转子流量计在气体流量测量中的应用

曹 珩，凡友琴，曹 珏，吕文琪

（湖北省化学工业研究设计院，武汉 430074）

0 引言

金属管转子流量计（亦称金属管浮子流量计）是工业自动化过程控制中一种常见的变面积式流量计，具备结构简单、安装方便、性能可靠、价格低廉、维护性好等诸多优点[1]，在精细化工行业得到广泛应用。

常规的金属管转子流量计要求流体进料方向为底进上出形式，需要安装在底部进料的垂直管道上；由于工艺管道以水平走向居多，这种安装方式在一定程度上限制了转子流量计的应用。目前某国际知名流量计厂家推出一款可以水平安装的金属管转子流量计，其可靠性及应用范围得到国家相关规范的认可。本文对其进行了详细介绍，以期待该流量计能够得到更好的应用。

1 金属管转子流量计基本测量原理

金属管转子流量计的主体构件是一根金属材质的锥形测量管，测量元件是一个内置磁钢的转子（或称浮子），故而得名[2]。金属管的锥度通常在4°左右，下端截面积略小于上端；转子直径略小于金属管内径，形成一个截面积较小的环隙。转子材料密度需大于被测流体的密度，确保可以在锥形测量管内自由上下移动。被测流体自下而上通过测量锥管时，流体冲击力和浮力同时作用令转子逐步上升。随着转子上升，其环隙面积逐步扩大，导致流体冲击力随之减小直至冲击力、浮力与转子重量达到受力平衡，此时浮子便稳定悬浮在某一高度上。如果被测流体流速发生变化，转子上升高度会随之改变直至稳定在新的受力平衡点[3]，故而浮子平衡点位置的高低可以实时反馈被测流体的流量大小，这就是变面积式测量的原理。通常用转子受力平衡后的上端平面高出锥形测量管底部的高度来指示流量的大小，并通过转子的内置磁钢将转子的位置信号转变为磁场信号，再通过精密充磁的磁耦合系统及智能型指示器将磁场变化趋势转化成电信号，经过数字信号处理及数据运算补偿，可以远传到LCD 液晶显示屏上，显示出瞬时流量及累积流量数据。

根据《自动化仪表选型设计规范》HG/T 20507-2014附录A 流量仪表选型规定，黏性液体不宜采用金属管转子流量计测量流量[4]，因此金属管转子流量计仅用于测量黏度较小的流体介质，工作过程中可以忽略黏性应力的影响。根据流体伯努利方程及阿基米德浮力公式进行推导，金属管转子流量计的经典流量计算公式[5]为：

式中：QV为工况体积流量，m3/s；α为流量系数（无量纲量），数值取决于转子形状；Df为转子最大直径，m；φ为锥形测量管锥角；h为转子受力平衡后上端平面高出锥形测量管底部的高度，m；Vf为转子体积，m3；Af为转子垂直于流向的最大横截面积，m2；ρf为转子材料密度，kg/m3；ρ为流体介质密度，kg/m3；g为当地重力加速度，m/s2。对于同一规格的金属管转子流量计，α、Df、φ、Vf、ρf及Af均为常数。

因此根据经典的流量计算公式，流量大小仅取决于转子高度及流体介质密度，可以利用该公式对标定好的金属管转子流量计进行刻度换算[6]。

2 水平安装式金属管转子流量计

针对常规的金属管转子流量计必须安装在垂直管道上这一缺点，德国科隆公司推出一款新型的金属管转子流量计（代号H250/H），确保金属管转子流量计能够在水平管道上安装和应用，使用性能和测量精度能够满足生产要求。这种新型的金属管转子流量计也得到国家相关规范的认可，根据《自动化仪表选型设计规范》HG/T 20507-2014第6.3.7条，转子流量计亦可安装在水平管道上[4]。该型号金属管转子流量计优化内部转子结构模型，采用转子+孔板模式并增设复位弹簧，利用这种复位力取代转子重量与浮力之差[7]，故其流量特性依然遵循金属管转子流量计的经典流量计算公式，只是需要测量介质在测量过程时刻保持满管状态，确保测量精度。由于气体介质非常容易膨胀和扩散，输送过程可以确保物料管道处于满管状态，因此该水平安装式金属管转子流量计特别适用于测量气体流量。

3 气体流量测量的刻度换算法

由于生产厂家供货的金属管转子流量计通常是标准规格的流量计，出厂前一般采用清水（工况20 ℃，针对液体介质）或者空气（工况101.325 kPa/20 ℃，针对气体介质）标定量程刻度。因此，被测流体与上述条件不符时，需要进行刻度换算才能获得实际流量。根据金属管转子流量计的经典流量计算公式可得：

式中：QV,A为标定流体体积流量，m3/s；ρA为标定流体介质密度，kg/m3；QV,B为被测流体工况体积流量，m3/s；ρB为被测流体介质工况密度，kg/m3。

由于金属管转子流量计测量前后性能不会改变，则α、Df、φ、Vf、ρf及Af均为常数，式（3） 除以式 （2），可得修正系数K为：

对于被测介质为气体时标定介质为空气，由于转子材料为固体，因此ρf≫ρA且ρf≫ρB，在精度要求不高的情况下甚至可取来简化计算[8]。

下述设计案例为气体流量测量的刻度换算法的具体应用。某工厂四氯化硅装置设计水平安装式金属管转子流量计用于测量氯气流量。根据业主提供的资料，氯气管道工作压力为300 kPa，温度为25 ℃，氯气标准密度为3.210 kg/m3。根据理想气体状态方程[9]，可以推算出氯气工况密度为：

式中：ρ标、P标、T标分别为氯气在标准状态下的密度、压力及绝对温度；ρB、PB、TB分别为氯气在工况状态下的密度、压力及绝对温度。

此外，氯气为强腐蚀性气体，则金属管转子流量计的转子元件材质需要选择外衬聚四氟乙烯的不锈钢材料。根据选型样本转子材质密度ρf为7 900 kg/m3，标定空气的密度ρA为1.205 kg/m3，故修正系数为：

如果金属管转子流量计上读数显示15 m3/h，则氯气实际工况流量为：

4 结束语

金属管转子流量计是一种可靠有效的流量测量仪表，其理论研究已经非常完善。新出现的水平安装式金属管转子流量计可以克服传统金属管转子流量计只能安装在从底部进料的垂直管道上这一缺点，已逐步得到推广。随着流体建模理论的深化和测量技术的进步，水平安装式金属管转子流量计的性能必将得到不断优化和改善。这种新型流量计适宜安装在水平管道上测量气体流量，大大拓宽了金属管转子流量计的应用场合，必将具有广阔前景。