专利名称：双锥形孔板浮子流量传感器的制作方法
技术领域：
本发明属于传感器技术领域，涉及一种线性度好、压力损失小的孔板浮子流量传 感器。
背景技术：
浮子流量计(浮子流量计)具有非常悠久的历史，最早的文字记录可追溯到1868 年艾德蒙德 奥古斯丁 卡麦罗伊(Edmond · Augustin · Chamenoy)在美国的专利登记。我 国从20世纪50年代后期开始，首先由沈阳玻璃仪器厂生产玻璃管浮子流量计，60年代中 期，上海光华仪表厂首家产出带有输出信号的金属管浮子流量计，90年代前后开始引进德 国和日本的先进技术生产浮子流量计。浮子流量计结构简单、刻度直观、使用维护方便、应 用面广，特别是金属管浮子流量计，工作可靠，是过程控制领域重要的流量仪表之一。近年广泛应用的孔板浮子流量传感器的浮子如附图1所示，由2个圆柱体与1个 位于两个圆柱体中间角度为Φ的锥台组成，称为单锥形浮子，加装单锥形浮子的流量计称 为单锥形孔板浮子流量传感器。更为具体的介绍可参见《传感技术学报》2010年第23卷第 4期的“孔板浮子流量计原理分析与实验” 一文。单锥形孔板浮子流量传感器结构简单、加 工方便，但与传统的锥管浮子流量计相比，线性度较差、压力损失较大，尤其是大口径单锥 形孔板浮子流量传感器，这些问题尤为明显。当流经孔板浮子流量传感器的流量Q大于某 一值时，浮子直线位移h的变化率△ h/ △ Q随Q的增大而减小，通过磁耦合将h转换成传感 器的角位移θ后，θ的变化率Δ θ/AQ也随之明显减小，从而导致流量与输出信号间为 非线性关系。这一非线性关系不但为浮子流量计的标定和数据处理带来不便，而且使仪表 线性度差，读数误差增大，降低了浮子流量计的测量精度。
发明内容
针对常见的单锥形孔板浮子流量传感器的上述缺陷，为了提高大口径孔板浮子流 量传感器的线性度，同时减小其压力损失，本发明设计了一种新的双锥形孔板浮子流量传 感器的结构。本发明的技术方案如下一种双锥形孔板浮子流量传感器，包括浮子，所述浮子包括上下依次衔接的上圆 柱、锥台部分和下圆柱，所述的锥台部分包括上下衔接的上锥台和下锥台，两个锥台衔接处 的截面为两者的公共底面。作为优选实施方式，本发明的双锥形孔板浮子流量传感器，所述上下锥台的高度 比值在3 7至2 3之间；所述的公共底面的直径为上圆柱的直径的0.8 0.9。进一步地，所述上下锥台的高度比值可以为3 7，公共底面的直径可以为上圆柱 的直径的0. 885。为了提高大口径孔板浮子流量传感器的线性度，应使流量计在整个量程范围内保 持恒定的Δ h/Δ Q，即小流量时应减小Ah/AQ，即增大Φ值；大流量时应增大Ah/八0，即 减小Φ值。本发明将单锥形浮子的单锥台结构变为双锥台结构，称为双锥形浮子，加装双锥形浮子的流量计称为双锥形孔板浮子流量传感器。通过对改进的Dmoo孔板浮子流量传 感器进行实流实验，结果表明与单锥形孔板浮子流量传感器相比，双锥形结构的线性度提 高了 45.5% ；在量程上限63m3/h处，双锥形结构的压力损失减小了 7.7%。
附图1单锥型浮子结构及参数图。附图2双锥型浮子结构及参数图。附图3双锥型孔板浮子流量传感器装配图。附图4天津大学水流量标准装置。附图5单锥形孔板浮子流量传感器流量与传感器偏转角度的关系。附图6双锥形孔板浮子流量传感器流量与传感器偏转角度的关系。附图标记如下1卡圈2.法兰3.上导向架4.上导向杆
5.管体6浮子主体7.孔板8.磁铁
9.下导向杆10.下导向架11..进水阀12.过滤罐
13.标准表14.电动调节阀15.平衡罐
16.排污阀17.支撑板18..金属管浮子流量计
19.卡表器20.流量调节阀21.喷嘴
22.换向器23.量器24..放水阀25.电子秤
26.控制柜27.计算机28,29.取压孔
具体实施例方式下面参照附图和相关实验数据，对本发明作进一步详述。为了提高大口径孔板浮子流量传感器的线性度，应使流量计在整个量程范围内保 持恒定的Δ h/Δ Q，即小流量时应减小Ah/AQ，即增大Φ值；大流量时应增大Ah/八0，即 减小Φ值。为了解决这一问题，如附图2所示，将单锥形浮子的单锥台结构变为双锥台结 构，称为双锥形浮子，加装双锥形浮子的流量计称为双锥形孔板浮子流量传感器。如附图3 所示，其中双锥形浮子6和上导向杆4、下导向杆9焊接在一起，依靠上导向架3、下导向架 10固定在管体5的中心，并保证和孔板7同轴。本发明的双锥形孔板浮子流量传感器适用 于测量液体和气体介质。双锥形孔板浮子流量传感器的浮子上设计有两个上下衔接的锥台，其结构参数D1 和D2与单锥形浮子取相同值即可。要保证双锥形孔板浮子流量传感器的性能指标最优，关 键是确定结构参数Dyh1和Il2的取值。Ill Ii2的取值位于3 7至2 3之间，D3的取值 范围为0. 8D2 0. 9D2。双锥形孔板浮子流量计的浮子上设计有两个上下衔接的锥台，要保证双锥形孔板 浮子流量计的性能指标最优，关键是确定合适的结构参数D3、Ii1和Iv为了优化双锥形浮 子流量计的性能，确定双锥形结构的最优参数，首先利用计算流体动力学(computational fluiddynamics,CFD)方法对不同参数下的孔板浮子流量计进行计算机仿真实验，再根据优 化结果制成实体浮子流量计进行实流测试，验证仿真结果的正确性。
由于浮子流量计为轴对称结构，采用旋转对称的二维流动模型进行数值计算。在 CFD前处理软件GAMBIT中建立单锥形孔板浮子流量计和不同结构参数的双锥形孔板浮子 流量计的二维模型。为了使流量计入口端面的流动是充分发展的，增加IOD入口直管段；为 了使流动出口是充分发展的，添加5D出口直管段。在GAMBIT中，将整个流体域划分为相互 连通的入口直管段、浮子流量计和出口直管段三部分。在GAMBIT中建立计算模型后，导入CFD应用软件FLUENT中进行流场计算。FLUENT 软件为用户提供了多种湍流模型，为了尽可能提高计算精度，在湍流中心区比较并分析了 标准k-ε两方程粘度模型、RNG k-ε模型和ReaIiable k-ε模型，在近壁区比较并分析 了壁面函数法、非平衡的壁面函数法和增强壁面函数法，从而确定了湍流中心区采用标准 k- ε两方程粘度模型、近壁区采用非平衡的壁面函数法的策略。选择二维轴对称旋转的稳 态求解器，根据有限体积法对方程进行差分离散。流体介质为20°C的水，密度为998. 2kg/ m3，黏度为0.001003kg/m· s。速度入口边界条件中，湍流参数选择湍流强度和水力直径， 湍流强度用默认值，入口为圆管，水力直径即圆管直径；选用outflow作为出口边界条件； 根据实际加工能力设置壁面边界条件Wall中的壁面粗糙度和粗糙常数，粗糙高度设为 0. 04mm,粗糙常数设为0. 6。求解控制参数中，离散格式选择基于压力-速度耦合的Coupled 算法，压力方程使用一阶标准格式，其余方程使用二阶迎风格式。除上述参数外，其它参数 使用默认值。FLUENT开始流场计算后，监视残差及浮子所受的升力。当残差收敛到10_4，且升力 不再变化时，计算结束。利用“浮子受力平衡度误差分析法”逐步调整入口流速，控制计算 精度。当仿真升力与浮子重力的相对误差不超过0.2%时，得到仿真流量。通过对仿真数据 的比较和分析，确定双锥形浮子流量计的最优参数。通过仿真确定了优选实施方式，其中，双锥形浮子的小端直径D1和大端直径D2与 单锥形浮子相同即可，锥台高度Ii1 Ii2的取值位于3 7至2 3之间，锥台直径1)3的取 值范围为0. 8D2 0. 9D2。下面以IOOmm 口径(简称DN100)的孔板浮子流量传感器为优选实例对本发明的
效果做进一步陈述。DN100单锥形浮子的锥台高度h为50mm，大端直径D1和小端直径込分别为87mm、 60mm。作为优选实施实例，双锥形浮子的直径D1和D2与单锥形浮子相同，D3取0.885 D1, 艮口 77mm h2 ￠( 3 7，艮口 Ii1 为 15mm, h2 为 35mm。按上述结构参数分别加工单锥形浮子和双锥形浮子，两种浮子共用同一管体，分 别组装成Dmoo单锥形孔板浮子流量传感器和Dmoo双锥形孔板浮子流量传感器，在附图 4所示的天津大学水流量标准装置上分别对其进行检定，得到可参比的实验数据。在Dmoo孔板浮子流量传感器的设计流量范围6. 3 63m3/h内，均勻选择包括量 程上限和量程下限在内的11个流量点，分别测量正、反行程下这11个流量点对应的角位 移传感器的偏转角度θ，然后对正、反行程下的θ取平均值，实验数据如表1所示。其中 A为标准表流量，θ、ΘDbl分别为单锥形孔板浮子流量传感器和双锥形孔板浮子流量传感 器的偏转角度。令拟合直线方程为％ = A+B · θ，其中，％)为理想流量值，A、B为拟合直线 的系数。任一校准流量Cli与拟合直线上对应理想值Qtli间拟合误差为Δ i = Cii-Qtli，则k = Imax(Ai) |/qmaxX100%。单锥形孔板浮子流量传感器的线性度k值为6. 59%，双锥形孔板浮子流量传感器Dbl-2的k值为3. 59%，双锥形孔板浮子流量传感器的线性度明显优于单
锥形结构，提高了 45.5%。 表1流量与传感器偏转角度的关系
权利要求
1.一种双锥形孔板浮子流量传感器，包括浮子，所述浮子包括上下依次衔接的上圆柱、 锥台部分和下圆柱，其特征在于，所述的锥台部分包括上下衔接的上锥台和下锥台，两个锥 台衔接处的截面为两者的公共底面。
2.根据权利要求1所述的双锥形孔板浮子流量传感器，其特征在于，所述上下锥台的 高度比值在3 7至2 3之间。
3.根据权利要求1所述的双锥形孔板浮子流量传感器，其特征在于，所述的公共底面 的直径为上圆柱的直径的0. 8 0. 9。
4.根据权利要求1所述的双锥形孔板浮子流量传感器，其特征在于，所述上下锥台的 高度比值为3 7，公共底面的直径为上圆柱的直径的0.885。
全文摘要
本发明属于传感器技术领域，涉及一种双锥形孔板浮子流量传感器，包括浮子，所述浮子包括上下依次衔接的上圆柱、锥台部分和下圆柱，所述的锥台部分包括上下衔接的上锥台和下锥台，两个锥台衔接处的截面为两者的公共底面。本发明的优选方案为上下锥台的高度比值为3∶7，公共底面的直径为上圆柱的直径的0.885。本发明能够提高大口径孔板浮子流量传感器的线性度，同时减小其压力损失。
文档编号G01F1/36GK102121837SQ201110003758
公开日2011年7月13日 申请日期2011年1月10日 优先权日2011年1月10日
发明者张涛, 朴立华, 王军朋 申请人:天津大学