[摘要]針對現(xiàn)有浮子流量計流量輸出分布不均勻的問題，通過浮子流量計的流量理論計算公式，分析出錐形浮子半徑和流量值是非線性關(guān)系。理論上，當(dāng)錐形浮子外形為拋物線時，流量輸出分布可以達(dá)到絕對均勻，但考慮到可加工性，將拋物線近似為圓弧形，因此將現(xiàn)有直面錐形浮子改為圓弧面錐形浮子。因流量理論計算公式存在一定的誤差，故再結(jié)合現(xiàn)有直面錐形浮子流量計的試驗標(biāo)定數(shù)據(jù)，確定圓弧面錐形浮子的尺寸。通過流量標(biāo)定裝置進(jìn)行實流試驗，最終驗證改進(jìn)后的圓弧面錐形浮子流量輸出的分布均勻性明顯好于改進(jìn)前的直面錐形浮子，提高了產(chǎn)品測量精度，刻度盤的視覺效果也明顯提高。
0引言
浮子流量計是一種面積變化式流量計，具有工作穩(wěn)定可靠、量程比寬、可測低流速介質(zhì)等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于液體、氣體及蒸汽介質(zhì)的流量測量。浮子流量計根據(jù)工作原理分為兩種結(jié)構(gòu)形式:一種是錐形管式，即流量檢測機構(gòu)是由一個自下而上的垂直錐形管和一個沿著錐管軸線上下移動的直浮子組成;另一種是孔板式，在一直管中內(nèi)嵌孔板，錐形浮子沿直管軸線在其中上下移動;零件結(jié)構(gòu)由錐形管式錐管的內(nèi)錐改為浮子的外錐，便于機械加工�；诳装迨礁∽恿髁坑嫿Y(jié)構(gòu)形式進(jìn)行改進(jìn)分析。
根據(jù)孔板式浮子流量計的工作原理可知，當(dāng)直管和孔板內(nèi)徑尺寸固定時，流量輸出主要與錐形浮子有關(guān)。目前市面上使用的錐形浮子大多為直錐面，流量輸出分布不均勻，流量值分布情況直觀地體現(xiàn)在就地指針式的刻度盤上，具體的分布特征為前40%流量跨度比較大，分布比較疏散，后40%流量跨度小，分布比較集中，影響產(chǎn)品測量精度，視覺效果不理想。因此，很有必要對錐形浮子進(jìn)行進(jìn)一步的分析改進(jìn)，以流量理論計算公式為依據(jù)，理論上分析當(dāng)流量輸出分布絕對均勻時錐形浮子的錐面形狀，再結(jié)合流量標(biāo)定試驗進(jìn)行驗證。
1理論分析
孔板式浮子流量計的工作原理如圖1所示,流體自下而上流經(jīng)孔板與錐形浮子形成環(huán)形流通面積時，因流體被節(jié)流，錐形浮子上下游兩端產(chǎn)生壓差，錐形浮子受此壓差影響形成一上升力。當(dāng)上升力大于浸在流體中錐形浮子重量時，錐形浮子就會上升，此時環(huán)形流通面積隨之增大，流體流速隨之下降，錐形浮子上下兩端壓差降低，上升力也隨之減小，當(dāng)錐形浮子受到的作用力達(dá)到平衡時，便會穩(wěn)定在某一高度。由錐形浮子上升高度確定的環(huán)形流通面積與流量成正比，因此檢測此位置就可以求得流量。
式中:QV為體積流量，α為流出系數(shù)，A為環(huán)形流通面積，g為重力加速度，Vƒ為浮子體積，ρ為流體密度，ρƒ為浮子密度，Aƒ為浮子最大迎流面積。
浮子流量計指示器部分主要分為指針指示型和液晶數(shù)顯型。指針指示型中的刻度盤可以直觀顯示出流量輸出的分布情況，以指針指示型為分析研究對象。由工作原理可知，當(dāng)流量顯示輸出為絕對均勻分布時，浮子上升高度也是絕對均勻的，利用上述理論計算公式，分析此時錐形浮子的錐面形狀。
根據(jù)改進(jìn)前已有的流量選型表，各流量段有對應(yīng)的浮子號即浮子尺寸己知，浮子材質(zhì)選用不銹鋼316L，測量介質(zhì)為水，因此公式中的浮子密度、浮子體積、流體密度和浮子最大迎流面積為已知量，流出系數(shù)為常數(shù)，將這些量合并為一
個固定的數(shù)值K，即簡化后的公式為:
Qv=KA(2)
由簡化后的公式(2)可知，流量與環(huán)形流通面積之間為一一對應(yīng)的線性關(guān)系。環(huán)形流通面積是由孔板內(nèi)徑和錐形浮子外徑形成，孔板內(nèi)徑為已知固定值，變化的環(huán)形流通面積主要通過錐形浮子控制，錐浮子外徑是變量，即
A=πR2-πr2(3)
式中:R為孔板內(nèi)徑，r為錐浮子外徑。
把公式(3)帶人公式(2)中:
Qv=KπR2-Kπr2(4)
令KπR2=α,Kπ=b，公式化簡為:
Qv=a-br2(5)
此公式為拋物線曲線。通過.上述的推導(dǎo)，分析出當(dāng)流量顯示輸出為絕對均勻時，錐形浮子的錐面形狀應(yīng)為拋物線。
2對錐形浮子進(jìn)行改進(jìn)分析
理論上，若錐形浮子的錐面加工成拋物線形狀就可以實現(xiàn)流量絕對均勻輸出，但是在實際加工生產(chǎn)中，拋物線不易加工;同時，流量計量程.按照用戶的需求，不同的量程值對應(yīng)不同的拋物線形狀，無法實際批量生產(chǎn)，影響生產(chǎn)效率。因此，對錐形浮子改進(jìn)要均衡加工性和生產(chǎn)效率，最終確認(rèn)改進(jìn)的方向是使流量輸出分布盡量趨于均勻，提高測量精度和刻度盤分布視覺效果。
由于圓弧面易于加工，只需要普通的數(shù)控機床即可，因此，將錐形浮子錐面形狀由拋物線近似設(shè)計為圓弧面。因流量理論計算公式存在一定的誤差圖，得出的結(jié)論只能作為參考,需要再結(jié)合改進(jìn)前的試驗標(biāo)定數(shù)據(jù)確定圓弧錐形浮子的尺寸。
以口徑DN25，流量2500L/h的孔板式浮子流量計為例，進(jìn)行具體的改進(jìn)過程分析。改進(jìn)前的錐形浮子是直錐面，試驗標(biāo)定數(shù)據(jù)取0、10%、20%、30%、4.0.....11個流量點數(shù)據(jù)19,結(jié)果如表1所示，刻度差值是指相鄰流量點的刻度差。
表1直面錐形浮子的試驗標(biāo)定結(jié)果
| 流量點/% |
0 |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)盤位置/% |
0 |
14 |
28 |
40 |
52 |
62 |
70 |
76 |
82 |
86 |
90 |
刻度差值 |
|
14 |
14 |
12 |
12 |
10 |
8 |
6 |
6 |
4 |
4 |
將標(biāo)定結(jié)果數(shù)據(jù)制作成刻度盤，如圖2b所示，刻度中長線對應(yīng)的是11個流量點，與圖2a所示的標(biāo)準(zhǔn)刻度盤進(jìn)行對比可知，前40%流量跨度比較大，分布比較疏散，后40%流量跨度小，分布比較集中，視覺效果差。同時測量精度也差，例如90%到100%只有兩個刻度格，因流量變化點相距太近，可能93%到97%范圍間的流量都指示在95%的位置。其他口徑和流量段的分布情況均類似。
由表1數(shù)據(jù)可知，流量點50%處，對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)刻度盤的位置為62%，說明錐形浮子上升到總行程的62%，即62%總行程處的浮子外徑與孔板內(nèi)徑形成的環(huán)形流通面積才能測出50%的流量。理想狀態(tài)下應(yīng)該是錐形浮子上升到總行程的50%,即50%總行程處的浮子外徑與孔板內(nèi)徑形成的環(huán)形流通面積就可以測出50%的流量，因此需將62%處的浮子外徑移動到50%處，如圖3所示,即將c點移動到d點，由a、b、d三點確認(rèn)圓弧。由表1數(shù)據(jù)可知，流量點10%~80%位置點均同50%處一樣偏高，通過新確認(rèn)的圓弧，可將10%~80%位置點均向下進(jìn)行調(diào)整，即對應(yīng)圖3所有的半徑點均上移。圖2中前40%的流量跨度大，說明傾斜角a較小，新確認(rèn)的圓弧增加了傾斜角a的角度值;后40%的流量跨度小，說明傾斜角β較大，新確認(rèn)的圓弧降低了傾斜角β的角度值。
通過上述方法，可將直面錐形浮子改進(jìn)為圓弧面錐形浮子。
3試驗驗證
通過流量標(biāo)定裝置，對改進(jìn)后的圓弧錐形浮子進(jìn)行實流標(biāo)定試驗，試驗標(biāo)定數(shù)據(jù)取0~100%11個流量點數(shù)據(jù),結(jié)果如表2所示。當(dāng)理想狀態(tài)分布完全均勻時，各10%的刻度差值應(yīng)該是一致的。對比改進(jìn)前和改進(jìn)后的試驗數(shù)據(jù)，改進(jìn)前各10%的刻度差值最大為14、最小為4，相差10;改進(jìn)后差值最大為12、最小為8，相差4;由10降為4，整體的分布均勻性得到明顯提高。同時,刻度差最小4增加為最小8，流量變化點間距加大，測量精度明顯可以提高。
將標(biāo)定結(jié)果數(shù)據(jù)制作成刻度盤，如圖4b所示，與圖2b改進(jìn)前的刻度盤進(jìn)行對比，分布均勻性明顯提高，不再有前段疏散后段集中的現(xiàn)象,整體分布趨于均勻，視覺效果較好，趨近于標(biāo)準(zhǔn)刻度盤呈現(xiàn)的分布效果。
| 流量點/% |
0 |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)盤位置/% |
0 |
12 |
24 |
34 |
44 |
54 |
62 |
72 |
80 |
88 |
98 |
刻度差值 |
|
12 |
12 |
10 |
10 |
10 |
8 |
10 |
8 |
8 |
10 |
按照上述改進(jìn)過程，改進(jìn)各個口徑和流量段的錐形浮子。對不同的管道口徑和流量范圍，給出不同的浮子尺寸，通過實流標(biāo)定驗證和分析,最終得出對應(yīng)的浮子尺寸。以DN20口徑的流量計為例，可測的滿量程區(qū)間在650~2000L/h(20%C水)之間，最終確認(rèn)5種浮子尺寸涵蓋整個流量范圍。比如1號浮子對應(yīng)的滿量程范圍是650~800L/h，當(dāng)客戶要求流量計量程在這個區(qū)間內(nèi)，就選擇1號浮子;以此類推在分段流量值范圍，內(nèi)均可選擇到適合的浮子型號。
4結(jié)束語
通過理論分析和改進(jìn)前標(biāo)定數(shù)據(jù)相結(jié)合，將直面錐形浮子改為圓弧面，該改進(jìn)方案均衡了可加工性、加工效率和分布均勻性。最終通過流量標(biāo)定裝置進(jìn)行試驗驗證，證明改進(jìn)后的圓弧面錐形浮子流量輸出的分布均勻性明顯好于改進(jìn)前的直面錐形浮子，提高了產(chǎn)品測量精度，并提高了指針式刻度盤的視覺效果。
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