[摘要]針對(duì)現(xiàn)有浮子流量計(jì)流量輸出分布不均勻的問題，通過浮子流量計(jì)的流量理論計(jì)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(shí)，流量輸出分布可以達(dá)到絕對(duì)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(jì)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(jì)的試驗(yàn)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(shí)流試驗(yàn)，最終驗(yàn)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(cè)量精度，刻度盤的視覺效果也明顯提高。
0引言
浮子流量計(jì)是一種面積變化式流量計(jì)，具有工作穩(wěn)定可靠、量程比寬、可測(cè)低流速介質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于液體、氣體及蒸汽介質(zhì)的流量測(cè)量。浮子流量計(jì)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(cè)機(jī)構(gòu)是由一個(gè)自下而上的垂直錐形管和一個(gè)沿著錐管軸線上下移動(dòng)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(dòng);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(jī)械加工。基于孔板式浮子流量計(jì)結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行改進(jìn)分析。
根據(jù)孔板式浮子流量計(jì)的工作原理可知，當(dāng)直管和孔板內(nèi)徑尺寸固定時(shí)，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(cè)量精度，視覺效果不理想。因此，很有必要對(duì)錐形浮子進(jìn)行進(jìn)一步的分析改進(jìn)，以流量理論計(jì)算公式為依據(jù)，理論上分析當(dāng)流量輸出分布絕對(duì)均勻時(shí)錐形浮子的錐面形狀，再結(jié)合流量標(biāo)定試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。
1理論分析
孔板式浮子流量計(jì)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(shí)，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(shí)，錐形浮子就會(huì)上升，此時(shí)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(shí)，便會(huì)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(cè)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(jì)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(duì)象。由工作原理可知，當(dāng)流量顯示輸出為絕對(duì)均勻分布時(shí)，浮子上升高度也是絕對(duì)均勻的，利用上述理論計(jì)算公式，分析此時(shí)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(duì)應(yīng)的浮子號(hào)即浮子尺寸己知，浮子材質(zhì)選用不銹鋼316L，測(cè)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(gè)固定的數(shù)值K，即簡(jiǎn)化后的公式為:
Qv=KA(2)
由簡(jiǎn)化后的公式(2)可知，流量與環(huán)形流通面積之間為一一對(duì)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(jiǎn)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(duì)均勻時(shí)，錐形浮子的錐面形狀應(yīng)為拋物線。
2對(duì)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(shí)現(xiàn)流量絕對(duì)均勻輸出，但是在實(shí)際加工生產(chǎn)中，拋物線不易加工;同時(shí)，流量計(jì)量程.按照用戶的需求，不同的量程值對(duì)應(yīng)不同的拋物線形狀，無法實(shí)際批量生產(chǎn)，影響生產(chǎn)效率。因此，對(duì)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(cè)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(jī)床即可，因此，將錐形浮子錐面形狀由拋物線近似設(shè)計(jì)為圓弧面。因流量理論計(jì)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(yàn)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(jì)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(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)取0、10%、20%、30%、4.0.....11個(gè)流量點(diǎn)數(shù)據(jù)19,結(jié)果如表1所示，刻度差值是指相鄰流量點(diǎn)的刻度差。
表1直面錐形浮子的試驗(yàn)標(biāo)定結(jié)果
| 流量點(diǎn)/% |
0 |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
對(duì)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(zhǎng)線對(duì)應(yīng)的是11個(gè)流量點(diǎn)，與圖2a所示的標(biāo)準(zhǔn)刻度盤進(jìn)行對(duì)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(shí)測(cè)量精度也差，例如90%到100%只有兩個(gè)刻度格，因流量變化點(diǎn)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(diǎn)50%處，對(duì)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(cè)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(cè)出50%的流量，因此需將62%處的浮子外徑移動(dòng)到50%處，如圖3所示,即將c點(diǎn)移動(dòng)到d點(diǎn)，由a、b、d三點(diǎn)確認(rèn)圓弧。由表1數(shù)據(jù)可知，流量點(diǎn)10%~80%位置點(diǎn)均同50%處一樣偏高，通過新確認(rèn)的圓弧，可將10%~80%位置點(diǎn)均向下進(jìn)行調(diào)整，即對(duì)應(yīng)圖3所有的半徑點(diǎn)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(yàn)驗(yàn)證
通過流量標(biāo)定裝置，對(duì)改進(jìn)后的圓弧錐形浮子進(jìn)行實(shí)流標(biāo)定試驗(yàn)，試驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)取0~100%11個(gè)流量點(diǎn)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(shí)，各10%的刻度差值應(yīng)該是一致的。對(duì)比改進(jìn)前和改進(jìn)后的試驗(yàn)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(shí),刻度差最小4增加為最小8，流量變化點(diǎn)間距加大，測(cè)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(duì)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(diǎn)/% |
0 |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
對(duì)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(gè)口徑和流量段的錐形浮子。對(duì)不同的管道口徑和流量范圍，給出不同的浮子尺寸，通過實(shí)流標(biāo)定驗(yàn)證和分析,最終得出對(duì)應(yīng)的浮子尺寸。以DN20口徑的流量計(jì)為例，可測(cè)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(gè)流量范圍。比如1號(hào)浮子對(duì)應(yīng)的滿量程范圍是650~800L/h，當(dāng)客戶要求流量計(jì)量程在這個(gè)區(qū)間內(nèi)，就選擇1號(hào)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(hào)。
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(yàn)驗(yàn)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(cè)量精度，并提高了指針式刻度盤的視覺效果。
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