1．結(jié)構(gòu)原理

浮子流量傳感器的結(jié)構(gòu)如圖所示，它的流量測(cè)量元件是由一根自下向上擴(kuò)張的垂直錐形管和一個(gè)置于錐形管中并可沿著錐管軸上下自由移動(dòng)的浮子所組成。被測(cè)流體從下向上經(jīng)過錐形管和浮子形成的環(huán)隙時(shí)，浮子上下端產(chǎn)生差壓形成浮子上升的力，當(dāng)浮子所受上升力大于浸在流體中浮子重量時(shí)，浮子便上升，環(huán)隙面積隨之增大，環(huán)隙處流體流速立即下降，浮子上下端差壓降低，作用于浮子的上升力也隨著減少，直到上升力等于浸在流體中浮子重量時(shí)，浮子便穩(wěn)定在某一高度。在穩(wěn)定工況下，浮子在錐管中高度和通過的體積流量之間有一定的比例關(guān)系。因此，可以根據(jù)浮子的位置得到體積流量。

2．流量公式

當(dāng)流體沿測(cè)量元件的錐形管自下而上地通過浮子而使浮子穩(wěn)定地懸浮在某一高度時(shí)，浮子主要受三個(gè)力的作用而處于平衡狀態(tài)。

(1) 迎面差壓阻力

流體流經(jīng)浮子時(shí)，由于節(jié)流作用，使得浮子上下游產(chǎn)生差壓△P，該差壓的大小和流體在浮子與錐形管壁間環(huán)形通道中的平均流速的平方成正比，即：

                  （4-23）

所以，迎面差壓阻力為：

            （4-24）

其中，F(xiàn)_f——浮子工作直徑（大直徑）處的橫截面積，㎡；——流體流經(jīng)環(huán)形面積時(shí)的平均流速，m/s；β——被測(cè)流體密度，如被測(cè)介質(zhì)為氣體則為浮子上游橫截面上的密度，kg/m³；C——阻力系數(shù)。

(2) 浮子受到的浮力

                     （4-25）

其中，V_f——浮子體積，如有延伸體也應(yīng)包括，m³；g——當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋琺/s。

(3) 浮子自重

                     （4-26）

其中，ρ_f——浮子材料密度，kg/m³；

在穩(wěn)定工況下，即浮子在流體中處于平衡時(shí)，有：

                  （4-27）

將式（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，流體流過環(huán)形面積的平均流速是一個(gè)常數(shù)。引入流體膨脹系數(shù)，可推得體積流量公式：

      （4-29）

其中，△F——流通環(huán)形面積，㎡；α——儀表的流量系數(shù)，等于，因浮子形狀而異；ε——被測(cè)流體為氣體時(shí)氣體膨脹系數(shù)，通常由于此系數(shù)校正量很小而被忽略，且通過校驗(yàn)已將它包括在流量系數(shù)內(nèi)；如為液體則ε=1。

當(dāng)浮子為非實(shí)芯中空結(jié)構(gòu)（放負(fù)重調(diào)整量）時(shí)，則：

           （4-30）

其中 ：G_f——浮子質(zhì)量，kg。

流通環(huán)形面積與浮子高度之間的關(guān)系如式（4-31）所示，當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已定，則d、β為常量。式中有h的二次項(xiàng)，一般不能忽略此非線性關(guān)系，只有在圓錐角很小時(shí)，才可視為近似線性。

         （4-31）

其中：d——浮子大直徑（即工作直徑），m；h——浮子從錐管內(nèi)徑等于浮子大直徑處上升高度，m；β——錐管的圓錐角；a、b——常數(shù)。

將式（4-31）代入（4-29），可得：

         （4-32）

可見，對(duì)于一定的錐形管和一定的流體，G_f、V_f、ρ、F_f、β和d等均為常數(shù)，體積流量q_v是流量系數(shù)a和浮子高度h的函數(shù)。只要能夠保持儀表的流量系數(shù)a為常數(shù)，則體積流量a與浮子高度q_v之間就存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，當(dāng)圓錐角很小時(shí)，體積流量與浮子高度成線性關(guān)系。測(cè)得浮子高度就可得到體積流量。但是，流量系數(shù)a與浮子的幾何形狀和流動(dòng)雷諾數(shù)有關(guān)。當(dāng)形狀一定時(shí)，當(dāng)雷諾數(shù)大于某一界限雷諾數(shù)后，流量系數(shù)將趨于一常數(shù)，體積流量和浮子高度之間成基本線性關(guān)系。當(dāng)實(shí)際雷諾數(shù)小于界限雷諾數(shù)時(shí)，流量系數(shù)將隨雷諾數(shù)變化，同時(shí)被測(cè)介質(zhì)密度也會(huì)發(fā)生變化，必須進(jìn)行修正。

這里還要說(shuō)明的是在浮子流量測(cè)量過程中，始終保持浮子前后的壓降不變，所以浮子流量測(cè)量又稱為恒壓降流量測(cè)量，有時(shí)可以一種特例歸為差壓式流量測(cè)量類。