（检测技术与自动化装置专业论文）浮子流量传感器的特性研究和结构优化.pdf

摘要 浮子流量计是一种传统的变截面流量计，具有结构简单、工作可靠、压力损 失小且稳定、可测低流速介质等诸多优点，广泛应用于测量高温、高压及腐蚀性 流体介质。但是目前在浮子流量计中仍然存在着诸多尚待解决的问题，浮子流量 传感器输出非线性、仿真平台不完善、水平式浮子流量计在大流量下浮子出现振 动以及浮子流量传感器受被测介质粘度变化影响都是影响浮子流量计测量精度 的重要问题。所以，对浮子流量传感器的特性研究和结构优化有很重要的意义。 首先通过对浮子流量计流量计量方程的研究，指出在目前流行的短管型浮子 流量计中浮子位移和流量之间存在明显的非线性关系：并且通过对浮子流量传感 器测量机理的进一步研究，发现在短管条件下浮子行程( 锥管的锥角) 的改变对 流量传感器浮子位移与流量之间的线性关系有重要的影响：研究了浮子行程与非 线性间的内在规律，并对它们之间的关系进行了定量分析，为解决浮子流量传感 器中存在的非线性问题提供了一个新的研究方法。 其次对商用计算流体力学( c f d ) 软件包f l u e n t 以及用户自定义函数 ( u d f ) 做了简单的介绍，利用f l u e n t 对垂直式浮子流量传感器进行二维以 及三维流场仿真，分析了有无前直管段、入口条件以及浮子旋转对仿真结果的影 响，完善了仿真平台。 然后对水平式浮子流量传感器进行三维流场仿真。通过分析仿真结果，对水 平式金属管浮子流量传感器的结构提出了几种优化方案，解决了水平式浮子流量 传感器中大流量下浮子振动的问题，为水平式浮子流量传感器的研究与设计奠定 了基础。 最后对多粘度试验装置及试验方案进行了介绍，研究设计了三种新型的浮 子，同时借鉴苏锋论文中提到的三种减粘浮子，对包括现在应用广泛的c f 型、 d f 型浮子在内的不同材料的十种浮子流量传感器进行粘度介质流量试验研究， 配制了动力粘度分别为3 i m p a s ，6 5 m p a s ，8 5 m p a s 的三种甲基纤维素水溶 液作为试验介质，物理试验结果给出了不同形状浮子的粘性特性，并定量分析了 它们的粘度适应能力。a c f 型浮子呈现出了特殊的性能，随着溶液粘度的增加， 其流量值有增加的趋势，v c f 型、d f l 型、c f c ( 钢制) 型浮子具有较好的粘度适 应能力。该研究为在测量中低粘度溶液中浮子流量传感器的选型提供参考依据， 弥补了在中低粘度流体介质上试验的空白。 关键词：浮子流量传感器；结构优化；非线性；流场数值仿真；浮子振动；流体 粘度变化 a b s t r a c t r o t a m e t e ri sak i n do ft r a d i t i o n a lf l o a tt y p ev a r i a b l ea r e af l o wm e t e r , w h i c hh a s m a n ya d v a n t a g e ss u c ha ss i m p l es t r u c t u r e ，w o r k i n gc r e d i b l y , l o wp r e s s u r el o s sa n d s t a b i l i z a t i o n b e s i d e s ，i tc a nm e a s u r el o wf l o wr a t e t h e r e f o r e ，i ti sw i d e l ya p p l i e di n m e a s u r i n gt h em e d i u mi nh i g ht e m p e r a t u r e ，h i g hp r e s s u r eo rc o r r o s i v ef l o w b u tt h e r e a r el o t so fu n s e a l e dp r o b l e m so nr o t a m e t e r f o re x a m p l e ，t h eo u t p u to ft h er o t a m e t e r s e n s o ri sn o n l i n e a r , t h es i m u l a t i o np l a t f o r mi sn o tp e r f e c t , t h ef l o a to fh o r i z o n t a l r o t a m e t e rv i b r a t e si nh i g hf l o wr a t ea n dt h er o t a m e t e rs e n s o ri sa f f e c t e db yv i s c o s i t y o f t h em e d i u m ，a l lo f w h i c ha r ei m p o r t a n tt op r e c i s i o no f t h er o t a m e t e ca sar e s u l t ，i t i ss i g n i f i c a n tt os t u d yi t sc h a r a c t e r i s t i c sa n d o p t i m i z ei t ss t r u c t u r e f i r s t l y ，t h r o u g hs t u d y i n gt h em e a s u r i n ge q u a t i o no ft h er o t a m e t e r , i ti sp o i n t e d o u tt h a tt h e r ei san o n l i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nd i s p l a c e m e n to ft h ef l o a ta n dt h e f l o wr a t ei nt h ep o p u l a rr o t a m e t e rw i t hs h o r tp i p e s ：a n dt h r o u g hf u r t h e rs t u d yo nt h e m e a s u r i n gp r i n c i p l eo ft h er o t a m e t e rs e n s o r , i ti sf o u n dt h a tt h ef l o a tj o u r n e y ( t a p e r e d a n g l e ) i ns h o r tp i p e sp l a y sa l li m p o r t a n tr o l eo nt h el i n e a r i t yb e t w e e nd i s p l a c e m e n to f t h ef l o a ta n dt h ef l o wr a t e ；t h r o u g hs t u d y i n gi n t e r n a lr u l ea n dt h er e l a t i o n s h i p ，an e w m e t h o dc o u l db ep r e s e n t e dt os o l v et h en o n l i n e a r i t yo f r o t a m e t e rs e n s o r s e c o n d l y , t h es o f t w a r ef l u e n to f c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) t h a ti s u s e di nb u s i n e s sa n dt h eu s e r - d e f i n e df u n c t i o n s ( u d f ) a r ei n t r o d u c e ds i m p l y b a s e d o nt h es i m u l a t i o no nt w o d i m e n s i o na n dt h r e e - d i m e n s i o nf l o wf i e l do ft h ev e r t i c a l r o t a m e t e rs e n s o r , t h ef a c t o r se f f e c to ns i m u l a t i o na r ea n a l y z e d ，w h i c hi n c l u d e st h e i n l e tc o n d i t i o n ，t h er o t a t i o no ft h ef l o a ta n dw h e t h e rt h em o d e lh a sas t r a i g h tp i p eo r n o t t h es i m u l a t i o np l a t f o r mi sp e r f e c t e d t h e n ，t h et h r e e d i m e n s i o nf l o wf i e l do fh o r i z o n t a lr o t a m e t e rs e n s o ri ss i m u l a t e d t h r o u g ha n a l y s i so nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，s e v e r a lo p t i m i z i n gs t r u c t u r eo fh o r i z o n t a l m e t a lr o t a m e t e rs e n s o ra r ep r o p o s e da n dt h ep r o b l e mo ff l o a tv i b r a t i n gi nh i g hf l o w r a t eo ft h eh o r i z o n t a lr o t a m e t e ri ss o l v e d ，t h ef o u n d a t i o no ns t u d ya n dd e s i g no f h o d z o n t a lr o t a m e t e rs e n s o ri ss e t t l e d f i n a l l y , t h ee q u i p m e n ta n dp r o j e c tf o rv i s c o s i t ye x p e r i m e n ta r ei n t r o d u c e d t h r e e n e wf l o a t sa r ed e s i g n e d ，a n dt h r e ek i n d so fm e t h y l c e l l u l o s el i q u o rw i t hv i s c o s i t yo f 3 1 m p a s ，6 5 m p a s ，8 5 m p a s a l ec o n f e c t e da se x p e r i m e n t a l m e d i u m t h r o w i g h e x p e r i m e n t so nt e nr o t a m e t e rs e n s o r sw i t hd i f f e r e n tm a t e r i a li n c l u d i n gw i d e l yu s e dc f , d ff l o a t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w sv i s c o u sc h a r a c t e r i s t i e so ff l o a tw i t hd i f i e r e n t s h a p ea n da n a l y z e st h e i ra d a p t a b i l i t yt ov i s c o s i t yq u a n t i f i c a t i o n a l l y 确ea c f f l o a t s h o w ss p e c i a lp e r f o r m a n c e w h i c ht h ef l o wr a t et e n d st oi n c r e a s e 嬲t h ev i s c o s i t y i n c r e a s e s ，t h ev c f , d f l ，c f c ( s t e e l ) f l o a th a sb e t t e ra d a p t a b i l i t yt ov i s e o s i t y 1 1 1 i s r e s e a r c hp r o v i d e sar e f e r e n c et os e l e c tr o t a m e t e rs c n s o rw h i l em e a s u r i n gm i d d l e a o w v i s c o u sl i q u i da n di ti st h ef i r s tt i m et oe x p e r i m e n to nm i d d l e l o wv i s c o u sl i q u i di nt h e w o r l d k e yw o r d s ：r o t a m e t e rs e n s o r ；o p t i m i z a t i o n o fs t r u c t u r e ；n o n l i n e a r ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o no nf l o wf l u i d ；v i b r a t i o no f f l o a t ；c h a n g eo f f l u i dv i s c o s i t y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：耐饱苏 签字日期：2 即彩年铲月；汐日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：、叶危急又 签字日期：知彩年妒月；d 日 ， 导师签名： 弓不沿 签字日期加红彩月罗日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 浮子流量计的发展概况 流量测量与压力测量、温度测量并列为工业生产过程中的三大检测参数， 对于一定的流体，只要知道这三个参数就可计算其具有的能量，而能量转换是 一切生产过程和科学实验的基础，因此对流量的准确测量具有极其重要的作用 i i 】o 流量仪表随着生产的需要而发展，又促进生产向更高级的阶段发展，科学 技术的进步，新材料、新工艺、电子技术、计算机技术的发展，以及物理学、 智能控制理论的发展都是流量仪表发展的基础 2 1 。 目前流量计的种类繁多，可以按不同原则划分，按测量方法和结构大致可 分为差压式流量计、浮子流量计、容积式流量计、涡轮流量计、电磁流量计、 涡街流量计、超声流量计、热式流量计等。每种流量计针对不同的被测流体、 不同的流动状态、不同的测量场所，有各自的优势和不足，比如在流速不同的 场合，高、中流速下能实现准确测量的已有孑l 板、涡街、涡轮等多种流量计， 而在低流速流量测量中，尤其在测微小流量，低雷诺数的情况下，浮子流量计 起着十分重要的作用l l “。 浮子流量计作为一种非常重要的流量测量仪表，其自身具有工作可靠，适 应于高压高温条件，能测量腐蚀性气体和液体，其原理可靠性特点能够很好的 满足流程工业对流量测量要求，同时浮子流量计还具有其它优点；易于安装和 维护；对于直读式仪表，无须电源与转换电路；擅于测量小流量流体所以它 广泛的应用于流量工程应用中【7 】【引，如对锅炉水处理中流速的测量【9 1 ，供油系统 中的油位监测lj o l ，吹扫过程控制中的流量测量【1 1 l ，离子膜烧碱生产线中的流量 测量i l ”，对冰醋酸生产中的液体流量测量【1 3 】等许多工业应用。 浮子流量计是以浮子在垂直锥形管中随着流量变化而升降，改变它们之间 的流通面积来进行测量的体积流量仪表，又称转子流量计i ”】。2 0 世纪初此类 仪表在德国取名为罗托计( r o t a m e t e r ) 。然而在美国、日本常称作变面积流量计 ( v a r i a b l ea r e af l o w m e t e r ) 或面积流量计1 1 6 j i l ”。浮子流量计原理设想发轫于1 9 世纪6 0 年代，2 0 世纪初出现商品。从应用台数所占比例来看，1 9 8 5 年英国抽 样调查7 2 家企业1 7 0 0 0 台流量仪表中浮子流量计占1 9 2 。我国浮子流量计产 量1 9 9 6 年估计在1 5 万1 7 万台之间i ”。 浮子流量计按其结构的不同可分为直通型浮子流量计、水平安装型浮子流 第一章绪论 量计、浮塞孔板型浮子流量计和直接指示型浮子流量计。另外，按材质还可以 分为玻璃管浮子流量计、塑料管浮子流量计和金属管浮子流量计。其中，金属 管浮子流量计多用于测量高温、高压及腐蚀性介质，除了用于工业原料配比计 量外，还能输出标准信号进行过程控制或直接与记录仪和显示仪配套使用，计 量累积流量i s 1 s - 2 0 。新型的材料工艺、精密的加工手段，同样提高了浮子流量 计的适应性、可靠性和重复性，根据现有资料，目前的金属管浮子流量计最 大可耐压1 0 0 m p a ，耐温3 0 0 c ，测量精度可达4 - l 。金属管浮子流量计有着 广阔的发展前景和巨大的应用市场1 5 1 1 6 1 。 1 2 浮子流量传感器研究现状 1 2 1 浮子流量传感器设计 浮子流量传感器是最常用的节流式流量传感器之一，在工业现场中有着广 泛的应用。为了解决浮子流量传感器在实际测量中所遇到的问题，可以通过设 计与优化浮子流量传感器的结构来实现。 孙自欣1 2 ”为了防止浮子堵塞流量计，设计了具有限位弹簧的改进型浮子流 量传感器。玻璃管浮子流量传感器不能测量深色和不透明液体，针对这个问题 吕元恺口纠通过将锥形管与观测管分离的方法优化了浮子流量传感器的结构。 王福斌1 2 列等在原有标准浮子流量传感器( l z b 2 5 ) 的基础上设计了双浮子 流量传感器，即利用大、小浮子分别测量大流量与小流量的方法实现了浮子流 量计量程的扩大，解决浮子流量计量程比较小的问题( 通常为1 0 ：1 ) 。 1 2 2 浮子流量传感器内部流场分析 计算流体力学( c f d ) 是分析浮子流量传感器内部流场，了解流体与传感 器结构部件相互作用规律，优化传感器设计结构和几何尺寸的重要工具。利用 计算机强大的计算能力和较完善的流体计算模型，经济而迅速的实现对传感器 物理结构的优化设计，并最终通过物理实验来验证浮子流量传感器的优化效果， 根据实验结果进一步完善传感器结构，从而实现低成本，高效率的良性开发循 环。 德国学者b u e c k l e u 和d u r s t f t 2 4 】1 2 5 1 首次将c f d 方法引入浮子流量传感器 研究之中，并采用先进的激光多普勒测速技术( l d a ) 对试验进行验证，结果 证明c f d 仿真结果与l d a 试验测试结果具有较好的一致性，他们的研究成果 显示计算流体力学在分析浮子流量传感器内部流场以及浮子受力方面的准确和 第一章绪论 高效。但是，他们采用的计算流场为层流，并非湍流，因此没有涉及对工业现 场为湍流时的研究。 徐英 2 1 2 6 1 利用c f d 方法对浮子流量传感器进行了仿真研究，计算中采用了 标准k f 湍流模型，并对所建模型的流场进行了较为深入的分析，提出“浮子 受力平衡度误差分析法”来进行仿真结果与物理试验结果的误差比较。苏锋【2 对测量低粘度流体介质金属管浮子流量计进行了进一步的仿真研究，获得了在 低粘度流体介质中浮子受力及浮子在受力平衡下的流量。 1 2 3 浮子流量传感器非线性的问题 非线性问题是指流量和浮子的位移成非线性关系，这是利用浮子流量计进 行流量计量时常见的一个问题，由于此问题的存在会增加测量的误差，因此必 须寻求合适的方法来解决。 浮子流量计的线性化技术分为机械式和电气式两种。 国内外采用的机械式线性化技术主要有【2 s l ：一是应用四连杆进行非线性修 正；二是利用凸轮进行非线性修正。前者所用零件多，摩擦力大，工作过程中 易脱落，且调整也比较麻烦。所以大部分生产厂家的流量传感器采用凸轮进行 线性化，特别是近年来计算机辅助制造( c a m ) 技术的推广。 杨诗模| 2 9 懈流量传感器测量管外壳的内侧壁设计为抛物线旋转面，因此修 正了浮子的位移量与流量变化的非线性关系，便于流量示值刻度，易于观测。 随着机加工工艺和计算机、微电子技术的发展，流量计的线性化技术也出 现了新的发展方向。目前，国外有的流量计直接将线性化曲线通过数控加工设 备加工到浮子上，从而使浮子位移与流量呈线性关系。另外，还出现了带微处 理器的全电子式的流量计，采用霍尔传感器检测浮子位移，由微处理器通过软 件进行线性化【2 s 】，利用神经网络【3 0 】等，从而使仪表结构更简化，精确度更高， 功能更强，工作更可靠。这些都代表了浮子流量传感器线性化技术的发展趋势。 上述一些关于浮子流量计的非线性修正方法，除杨诗模的设计外都是通过 二次修正来处理浮子流量计中存在的非线性问题，这样的修正方法对于浮子流 量计非线性问题的解决有一定的作用，但是没有从一次传感器方面、从本质上 来分析非线性问题产生的原因。 1 2 4 粘度变化对浮子流量传感器特性的影响 流体粘度变化是影响浮子流量计特性的主要因素之一，现有的浮子流量计 适应的流体粘度范围一般在2 0 5 0 m p a 5 以下。深入了解浮子流量计特性受粘 第一章绪论 度变化的影响，对提高浮子流量计测量精度和拓展其应用领域具有重要意义。 使用浮子流量传感器对流体进行测量时，当被测流体粘度不同于标定流体粘度 时，就会引起附加误差，降低测量精度。即当实际测量介质的粘度大于标定介 质粘度时，其实际流量小于理论流量；反之，实际流量大于理论流量1 3 t 】。 针对流体粘性对浮子流量计测量精度的影响问题，国内外许多学者作了大 量的研究，这些研究从方法上讲可分为两大类：一类研究是对现有的浮子流量 传感器通过物理实验结合理论推导找出其粘性修正曲线，获得在不同粘性工作 介质下流量的转换关系；另一类则是尽可能消除粘性影响的浮子流量传感器设 计，以避开由于标定介质与工作介质粘性不同引起的示值修正。 1 2 4 1 粘性修正的方法 s c h o e n b o m e m 【3 2 】，蔡武昌 3 3 】，相川长彦【3 4 】，杨根生【3 5 1 采用实验的方法找出 粘性修正曲线，他们采用机油做工作介质，并用加温改变粘性来获得实验曲线。 采用对机油加温的办法，实际上改变了介质的三个参数，即温度、粘度和密度。 它们的影响相互交叉，很难区别，不能获得介质粘性这一因素直接对浮子流量 传感器示值的影响及其修正。 郑荣根1 36 j 等应用相关流体力学理论探讨了介质粘性对浮子流量传感器示值 影响的基本规律，在受力方程中引入了粘性摩擦力，推导出引入粘度影响的数 学修正模型。 j w o j t k o w i a k 3 7 1 利用浮子流量传感器起始流量与浮子高度的实验数据，假设 浮予流量传感器数学模型中的流量系数是关于雷诺数的一元函数，用雷诺数代 替粘性系数表征流体粘度变化，最后得到被测粘性流量的非线性方程，利用迭 代方法求解，得到了粘性流量与理论流量的比值，从而获得对粘性影响的修正 曲线。其研究对象为1 5 c 与8 8 c 的水，两者粘性比“，= 3 4 6 。 1 2 4 2 结构优化的补偿方法 f i s h e rk 1 3 8 1 首先提出在标定中忽略粘性影响的设计，但所设计的浮子重量 小，流量传感器量程也小，无法用于生产。m i l l e r r w i3 9 】给出一系列特殊结构的 浮子形状，如图l - 1 所示。他指出这些转子具有粘度不敏感上限值，在此粘度 限制以下时，不需要进行粘度校正，但他没有给出这些浮子粘性不敏感程度和 减粘原理的进一步解释。 第一章绪论 e 可豆亘 回冒重舒面 (f)(d 啦) ( i ) 图卜1 浮子设计图样 伊藤好弘1 4 0 】提出了减小粘性影响的浮子设计，该浮子形状趋近于雨滴形状， 同时该流线形设计也减小了由于浮子自身形状而产生的压差损失。 凸旦 抖中疗j 。 u 小掣t 7j ：i 争l 掣i ff 图1 2 苏锋试验用减粘浮子 苏锋研究并设计出了几种减粘浮子( 如图i - 2 所示) ，并对其在高粘度的 甲基纤维素水溶液中进行了试验研究，验证了这几种浮子的减粘效果。但是苏 锋试验中使用的甲基纤维素水溶液的最低粘度为1 3 7 m p a s ，对于工业现场中 应用较为广泛的粘度为1 0 0 m p a s 以下的溶液缺少试验研究。 1 3 本论文的研究内容 1 3 1 研究目的 本论文的研究目的：从优化浮子流量传感器设计结构与几何参数的角度出 发，对浮子流量传感器的结构进行优化。课题研究意义在于：本课题的完成为 解决浮子流量计中存在的非线性问题提供一个新的研究方法；通过c f d 仿真的 方法优化了浮子流量传感器的结构和几何参数，完善仿真平台，解决水平式浮 子流量传感器在大流量下的浮子振动问题；同时对不同形状浮子在中低粘度甲 基纤维素溶液中的粘度敏感特性进行的研究，为在浮子流量传感器中对浮子的 第一章绪论 选型提供参考依据。 1 3 2 研究内容 深入分析浮子流量传感器的研究现状，了解浮子流量计在工业测量中存在 的问题及优化浮子流量传感器的理论、方法。 对利用浮子流量计进行测量时存在的非线性问题进行研究，给出解决问题 的方法；利用c f d 软件( f l u e n t ) 对浮子流量传感器进行二维和三维流场仿 真，为流量传感器的设计提供理论依据，并解决水平式浮子流量传感器在大流 量下的浮子振动问题，优化流量传感器的几何结构参数；对d n 2 5 口径的金属 管浮子流量传感器在甲基纤维素水溶液中进行多粘度试验，配制了动力粘度 3 1 m p a s 。6 5 m p a s ，8 5 m p a s 的三种甲基纤维素水溶液作为试验介质，研究不同 形状的浮子对溶液粘度变化的敏感程度。 1 。3 。3 创新点 本论文的创新点主要包括： 通过对浮子流量计流量计量方程的分析，发现在短管型浮子流量计中存在 非线性问题，并指出浮子行程的改变对流量传感器浮子位移与流量之间的非线 性关系有重要的影响，为解决非线性问题提供了一个新的研究方法。 对垂直式金属管浮子流量传感器建立二维和三维仿真模型，分析了有无前 直管段、入口条件以及浮子旋转对仿真结果的影响，完善了仿真平台；对水平 式金属管浮子流量传感器建立三维仿真模型，提出了几种结构优化方案，解决 了水平式浮子流量传感器中大流量下浮子振动的问题，为水平式浮子流量传感 器的研究与设计奠定了基础。 研究设计了三种新型的浮子，并对不同形状浮子流量传感器的中低粘度粘 性适应能力进行试验研究，定量分析它们的粘度适应能力，从中选出了几个优 化浮子模型，为测量中低粘度粘性溶液浮子流量传感器的选型提供了参考依据， 弥补了在中低粘度流体介质上试验的空白。 1 3 4 章节结构 论文各部分组织结构如下： 第一章绪论。主要对浮子流量传感器的研究现状以及本论文的研究目的和 基本内容作简单说明。 第一章绪论 第二章浮子流量传感器的非线性研究。对浮子流量计的测量原理做简要的 分析，指出在利用短管型浮子流量计进行测量的时候存在非线性问题；提出了 浮子行程( 锥管的锥角) 的改变是影响短管型浮子流量计线性度的一个主要因 素，并对其进行定量分析，进而提出了结构优化建议。 、 第三章垂直式浮子流量传感器的仿真研究。利用商用c f d 软件包f l u e n t 对垂直式浮子流量传感器进行二维以及三维流场仿真，分析了前直管段、入口 条件以及浮子旋转对仿真结果的影响，完善了仿真平台。 第四章水平式浮子流量传感器的仿真与实验研究。对水平式浮子流量传感 器进行仿真与实验研究，分析浮子流量传感器内部的流场分布，提出了大流量 下解决浮子振动问题的方案，并对优化后的传感器进行了流场仿真研究，提高 了水平式浮子流量传感器的性能。 第五章浮子流量传感器的多粘度试验。对多粘度试验装置及试验方案进行 了介绍，研究设计了三种新型的浮子，对配有不同类型浮子的浮子流量传感器 进行多粘度介质流量试验研究，分析物理试验结果，定量给出了不同形状浮子 的粘性特性，为在中低粘度流体中浮子流量传感器的选型提供参考依据。 第六章总结和建议。对课题研究中所完成的各项工作进行了总结，并对研 究工作发展方向和主要解决的问题提出了建议。 第二章浮子流量传感器的非线性研究 第二章浮子流量传感器的非线性研究 2 1 浮子流量计流量计量原理 如图2 - i ，浮子流量传感器主要由一个锥形管和一个置于锥形管中可以上下 自由移动的浮子( 或称转子) 构成。当流体自下而上流入锥管时，被浮子截流， 在浮予上、下游之间产生压力差，浮子在压力差的作用下上升，此时作用在浮子 上的力有四个：动压力( 压差力) 、粘性应力、浮力、重力1 2 】。当这些力平衡时， 浮子就平稳地浮在锥管内某一位置上。对于给定的浮子流量计，浮子大小和形状 已经确定，因此它在流体中的浮力和自身重力都是已知的，是常量，但是流体对 浮予的动压力是随来流大小而变化的，而粘性应力随被测介质的粘度变化较为显 著。因此当来流速度、介质粘性变化时，浮子将在其平衡位置上，作向上或向下 的移动，当来流重新恒定时，浮子就在新的位置上稳定。对于一台给定的浮子流 量计，浮子在锥管中的位置与流体流经锥管的流量的大小成一一对应关系。这就 是浮子流量计的流量计量原理。 以上是浮子平衡过程的定性分析。下面将从流量方程式的推导说明浮子位移 与流量之间的关系。 浮子悬浮在流体中时受力情况p j ： ( 1 ) 迎厩压差阻力。被测流体对浮子施加向上的作用力大小与流体介质的密 度、流速的平方以及浮子的最大横截面积成正比： 耻 等s f ( 2 - 1 ) 式中：f 为用于浮子的向上作用力 p 为测流体的密度 v 为锥形管与浮子之间的环形横截面上的流体平均流速 s ，为浮子垂直于流向的最大截面积 孝为比例系数( 与浮子形状、流体的粘度有关) ( 2 ) 浮予由于重力作用而产生的向下力，等于浮子的重力减去被测流体对浮子 的浮力，可表示为： c = 乃g 一昭= g ( 乃一p ) ( 2 2 ) 第二章浮子流量传感器的非线性研究 式中： c 为作用于浮子上的向下作用力 0 为浮子的体积 p ，为浮子材料密度 g 为当地重力加速度 p 为被测流体的密度 ( 3 ) 粘性应力为粘性流体对浮子壁面产生的粘性摩擦力，在传统的分析方 法中，由于被测介质的粘度比较小时，产生的粘性应力很小，一般将此项忽略。 故当浮子在某位置平衡时，只= 只，则有： 即得 鲁s 一烈旷由 由于体积流量q = 跏，则体积流量q 的表达式为： ( 2 - 3 ) 哪! f 2 v g 季( p - p ) ：= 否1slfl罕2v：g(p：-p)=aslf2vg孵(p-p)czq， 式中口：一1 ，称为浮子流量计的流量系数。 芎 质量流量： q = 砚，则： 级=胛pasl1罕2v：g(p：-p)=懿1f129pv：_(p：-p)： 环形截面面积s 为 s = 三( 研一刃 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 第二章浮子流量传感器的非线性研究 式中： d 为浮子平衡在h 高度时锥形管的直径 d i 为浮子最大直径 d 由下式确定： d h = d o + 2 h t a n # d 0 为标尺零点处锥形管直径 一为锥形管的锥半角 如图2 - 1 所示： d f 爿p 晰 一旷 图2 一l 浮子流量计测量部分尺寸示意图 ( 2 - 7 ) 将式( 2 6 ) 、( 2 7 ) 代入式( 2 5 ) ，得体积流量与浮子在锥形管中所处高度的 关系： g = 口号( 巧一彬1 | 2 9 v 墨( p p - p ) ： = 口三【( d o + 2 h t a n # ) 2 一彬 在制造上，一般满足d o = 办，则流量计算公式为： q = 口w 【d 0 t a n 矿+ ( 臼m 妒) 2 ( 2 - 8 ) 第二章浮子流量传感器的非线性研究 使用同一规格的浮子流量计，d o 、曲均为常数。令 硪t a n 纠2 9 墨v z 圳叫2 手一表 示为： q = a ( a h + b h 2 ) ( 2 1 0 ) 传统设计中认为锥半角妒很小，t a n 矿值也很小，因此( t a l l 庐) 2 项可以忽略， 则式( 2 - 9 ) 又可以简化为： 同样令z d o 协n 矽 q z 碱 t a l l 痧1 f 2 9 v ：曲( p p y - p ) ( 2 - 1 1 ) = a ( 常数) ，则式( 2 - 1 1 ) 可以表示为： q = a a h ( 2 - 1 2 ) 在目前的一些教科书中1 4 0 4 卅给出的浮子流量计流量计量公式都是类似于式 ( 2 - 1 1 ) ，认为锥管的锥半角很小，( h t a n ) 2 项可以忽略，从而得到流量和浮子 位移之间的一一对应的线性关系。但是就当前流行的金属管浮子流量计而言，一 般均采用2 5 0 m m 的仪表总长度，这样的结构设计不仅可以节约原材料，加工制造 简单，而且体积小，重量轻，安装使用方便。在短管条件下，为了在有限的行程 范围内达到所需要的流量值，t a n 值就需要相应的增大，因此( h t a n 矿) 2 项就不 能忽略不计。所以针对当前流行的金属管浮子流量计应采用式( 2 - 9 ) 进行流量 计算。从式( 2 - 9 ) 的等效式( 2 - 1 0 ) 可以清楚的看到，流量和浮子位移之间不 是线性对应关系，因此就必须对其进行非线性修正。 2 2 浮子流量传感器非线性问题发展概况 2 2 1 现有的浮子流量传感器非线性问题解决方案 厣 第二章浮子流量传感器的非线性研究 非线性问题是指流量和浮子的位移成非线性关系，这是利用浮子流量计进行 流量计量时常见的一个问题，由于此问题的存在会增加测量的误差，因此必须寻 求合适的方法来解决。 浮子流量计的线性化技术分为机械式和电气式两种。 国内外金属管浮子流量传感器采用的机械式线性化技术主要有两种p o 】：一 是应用四连杆进行非线性修正；二是利用凸轮进行非线性修正。前者所用零件多， 摩擦力大，工作过程中易脱落，且调整也比较麻烦。所以大部分生产厂家的流量 传感器采用凸轮进行线性化，特别是近年来计算机辅助制造( c a i v l ) 技术的推广。 杨诗模p o 将流量传感器测量管外壳的内侧壁设计为抛物线旋转面，因此修 正了浮子的位移量与流量变化的非线性关系，便于刻度、易于观测。 随着机加工工艺和计算机、微电子技术的发展，流量计的线性化技术也出现 了新的发展方向。目前，国外有的流量计直接将线性化曲线通过数控加工设备加 工到浮子上，从而使浮子位移与流量呈线性关系。另外，还出现了带微处理器的 全电子式的流量计，采用霍尔传感器检测浮子位移，由微处理器通过软件进行线 性化p ，利用神经网络【3 l l 等，从而使仪表结构更简化，精确度更高，功能更强， 工作更可靠。这些都代表了浮子流量计线性化技术的发展趋势。 2 2 2 对浮子流量传感器非线- 眭问题的思考 上述一些关于浮子流量计的非线性修正方法，除杨诗模的设计外都是通过二 次修正来处理浮子流量计中存在的非线性问题，这样的修正方法对于浮子流量计 非线性问题的解决有一定的作用，但是没有从本质上来分析非线性问题产生的原 因。 在应用短管型浮子流量计进行流量测量的时候存在非线性问题，是由于在其 测量公式中存在( h t a n ) 2 这样一个平方项，且在锥半角不是很小的时候该项不 能忽略不计。在目前流行的浮子流量计中，由于流量计整体高度的限制，浮子的 行程变小，锥管的锥半角变大，使得非线性问题更为突出，但是浮子行程以及锥 管的锥半角的变化对流量计的非线性到底有什么程度的影响，目前尚是一个未知 数。鉴于此，本章从浮子行程以及锥管的锥半角的角度对浮子流量计的非线性问 题进行了研究，期望从一次仪表部分对浮子流量计非线性问题的解决提出建设性 的意见。 2 3 浮子流量传感器非线性问题的研究 第二章浮子流量传感器的非线性研究 2 3 1 研究对象 本章节的研究对象为如图2 - 2 所示的d n 8 0 金属管浮子流量传感器，其流量 测量范围为4 4 0 m 3 h ，测量介质为水。流量传感器的整体高度为2 5 0 m 。在设 图2 - 2 浮子流量传感器的结构 计该浮子流量传感器的时候为了和其他部件相配合，浮子在管体内能移动的最大 位移为5 9 r a m ，同时又要满足量程的要求，因此选择了浮子行程分别为5 0 m ( 锥半 角= 1 8 。1 6 ) 和5 5 r a m ( 锥半角= 1 5 。1 5 ) 的两种流量传感器进行非线性问题的 研究。 2 3 2 研究方法 非线性问题对浮子流量计的测量精度有很大程度的影响，在本章节中希望能 对这种影响进行定量的描述，因此提出了非线性误差这样一个概念。计算非线性 误差时的基准直线采用最小二乘法来确定，非线性误差，计算公式1 4 5 ： r ：幽x 1 0 0 = 墼l o o ( 2 - 1 3 ) q 编女( 矗一 ) 其中9 为输出平均值与基准直线问的偏差，q 为满量程输出平均值，t 为拟 合直线的斜率，矗为被测物理量的第个值，x i 为被测物理量的第1 个值。 第二章浮子流量传感器的非线性研究 2 3 3 浮子流量传感器非线性问题的理论分析 为了研究浮子流量计的非线性问题，本节利用公式( 2 - 9 ) 针对浮子在锥管 中的垂直位置和流量的对应关系给出了两组理论计算数据。 在公式( 2 - 9 ) 中，当流量传感器的结构以及被测流体介质确定下来后， 矿，p ，p ，a ，d o ，d h ，d ，以及c i 这些变量都是已知量，是不变的。表2 一l 、表2 2 分别给出了利用公式( 2 - 9 ) 计算的行程为5 0 啪和5 5 r a m 的情况下浮子位移和流 量之间的对应关系，其中浮子位移是浮子在锥管中的垂直位置。数据表中的第三 列是利用公式( 2 1 3 ) 计算出来的相应流量点的非线性误差。 表2 - l 行程是5 0 m ( 锥半角= 1 8 。1 6 ) 的理论计算数据 浮子位移所肼 流量，( m 3 h 一1 ) 非线性误差 51 7 3 7 3 2 1 0 42 9 3 1 6 1 57 1 9o 0 7 2 01 0 2 9 2 7 6 2 51 3 6 44 7 7 3 01 7 ，3 8 5 7 3 3 52 l6 5 5 2 4 4 0 2 6 7 85 1 3 4 53 32 71 3 3 5 04 2 2 l 1 4 5 6 表2 - 2 行程是5 5 u ( 锥半角= 1 5 0 1 5 ) 的理论计算数据 浮子位移肌脚 流：l t ( m 3 h 一) 非线性误差 54 3 7 6 2 4 1 07 3 73 2 7 1 5i o 2 2o 0 4 2 01 3 ，3 3 2 7 4 2 51 6 8 14 5 6 3 02 0 7 35 3 5 3 52 5 2 34 7 8 第二章浮子流量传感器的非线性研究 4 0 3 0 4 82 4 6 4 53 6 4 l 1 4 7 5 04 2 2 7 5 2 3 5 54 7 ，s 7 3 ，7 0 对上述理论计算数据进行非线性误差分析。 如图2 3 所示，( a ) 和( b ) 分别是行程为5 0 r a m 和5 5 m m 的浮子流量计浮 子位移和流量间对应关系曲线及利用最b - - - 乘法拟合的基准直线。从表2 - 1 ，表 2 - 2 中第三列所示的非线性误差数据可以看出，当利用公式( 2 9 ) 进行流量计算 时在不同的流量点处流量和浮子位移之间表现出了不同的非线性误差，流量和浮 子位移之间不是线性对应关系。 一f 论计算曲：麦少 e 准直线 少 一珲沦讨算曲线 一基准直线 夕 夕 夕 o 1 0 40邬o1 0剪柚r i o 浮于高度m浮子高度m ( a ) 浮子行程是5 0 m a ( 锥半角= 1 8 。1 6 )( b ) 浮子行程是5 5 m ( 锥半角= 1 5 。1 5 ) 图2 - 3 浮子位移和流量关系图及基准直线 当浮子行程是5 0 r a m ( 锥半角= 1 8 。1 6 ) 时： 最大非线性误差，一= 1 4 5 6 平均非线性误差y = 5 0 1 当浮子行程是5 5 m m ( 锥半角= 1 5 。1 5 ) 时 最大非线性误