1．結(jié)構(gòu)原理

浮子流量傳感器的結(jié)構(gòu)如圖所示，它的流量測量元件是由一根自下向上擴(kuò)張的垂直錐形管和一個置于錐形管中并可沿著錐管軸上下自由移動的浮子所組成。被測流體從下向上經(jīng)過錐形管和浮子形成的環(huán)隙時，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，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，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，浮子主要受三個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，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)形面積時的平均流速，m/s；β——被測流體密度，如被測介質(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?，m/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，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——被測流體為氣體時氣體膨脹系數(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)浮子為非實芯中空結(jié)構(gòu)（放負(fù)重調(diào)整量）時，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)計已定，則d、β為常量。式中有h的二次項，一般不能忽略此非線性關(guān)系，只有在圓錐角很小時，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之間就存在一一對應(yīng)的關(guān)系，當(dāng)圓錐角很小時，體積流量與浮子高度成線性關(guān)系。測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雷諾數(shù)有關(guān)。當(dāng)形狀一定時，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)實際雷諾數(shù)小于界限雷諾數(shù)時，流量系數(shù)將隨雷諾數(shù)變化，同時被測介質(zhì)密度也會發(fā)生變化，必須進(jìn)行修正。

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