浮子流量计锥形浮子改进分析与试验研究.pdf

叶仪器仪表与分析监测曳 2023 年第 3期浮子流量计锥形浮子改进分析与试验研究Improvement Analysis and Experimental Investigationon Conical Float of Rotameter王婷婷渊丹东通博电器 渊集团冤 有限公司袁 辽宁丹东118000冤摘要针对现有浮子流量计流量输出分布不均匀的问题袁 通过浮子流量计的流量理论计算公式袁 分析出锥形浮子半径和流量值是非线性关系遥 理论上袁 当锥形浮子外形为抛物线时袁流量输出分布可以达到绝对均匀袁 但考虑到可加工性袁 将抛物线近似为圆弧形袁 因此将现有直面锥形浮子改为圆弧面锥形浮子遥 因流量理论计算公式存在一定的误差袁 故再结合现有直面锥形浮子流量计的试验标定数据袁 确定圆弧面锥形浮子的尺寸遥 通过流量标定装置进行实流试验袁 最终验证改进后的圆弧面锥形浮子流量输出的分布均匀性明显好于改进前的直面锥形浮子袁 提高了产品测量精度袁 刻度盘的视觉效果也明显提高遥关键词浮子流量计曰 锥形浮子曰 圆弧面曰 孔板式曰 抛物线中图分类号TH814文献标识码A0引言浮子流量计是一种面积变化式流量计1袁 具有工作稳定可靠尧 量程比宽尧 可测低流速介质等优点2袁 广泛应用于液体尧 气体及蒸汽介质的流量测量遥 浮子流量计根据工作原理分为两种结构形式院 一种是锥形管式袁 即流量检测机构是由一个自下而上的垂直锥形管和一个沿着锥管轴线上下移动的直浮子组成3曰 另一种是孔板式袁 在一直管中内嵌孔板袁 锥形浮子沿直管轴线在其中上下移动曰 零件结构由锥形管式锥管的内锥改为浮子的外锥袁 便于机械加工遥 本文基于孔板式浮子流量计结构形式进行改进分析和试验研究遥根据孔板式浮子流量计的工作原理可知袁 当直管和孔板内径尺寸固定时袁 流量输出主要与锥形浮子有关遥 目前市面上使用的锥形浮子大多为直锥面袁 流量输出分布不均匀袁 流量值分布情况直观地体现在就地指针式的刻度盘上袁 具体的分布特征为前 40%流量跨度比较大袁 分布比较疏散袁 后 40%流量跨度小袁 分布比较集中袁 影响产品测量精度袁 视觉效果较差遥 因此袁 很有必要对锥形浮子进行进一步的分析改进袁 以流量理论计算公式为依据袁 理论上分析当流量输出分布绝对均匀时锥形浮子的锥面形状袁 再结合流量标定试验进行验证遥1理论分析孔板式浮子流量计的工作原理如图 1 所示袁流体自下而上流经孔板与锥形浮子形成环形流通面积时袁 因流体被节流袁 锥形浮子上下游两端产-12-生压差袁 锥形浮子受此压差影响形成一上升力遥当上升力大于浸在流体中锥形浮子重量时袁 锥形浮子就会上升袁 此时环形流通面积随之增大袁 流体流速随之下降袁 锥形浮子上下两端压差降低袁上升力也随之减小袁 当锥形浮子受到的作用力达到平衡时袁 便会稳定在某一高度遥 由锥形浮子上升高度确定的环形流通面积与流量成正比袁 因此检测此位置就可以求得流量4遥浮子流量计的体积流量公式为5院QV=琢A2gVf渊籽f-籽冤籽Af姨渊1冤式中院 QV为体积流量袁 琢 为流出系数袁 A 为环形流通面积袁 g 为重力加速度袁 Vf为浮子体积袁籽 为流体密度袁 籽f为浮子密度袁 Af为浮子最大迎流面积遥浮子流量计指示器部分主要分为指针指示型和液晶数显型遥 指针指示型中的刻度盘可以直观显示出流量输出的分布情况袁 本文以指针指示型为分析研究对象遥 由工作原理可知袁 当流量显示输出为绝对均匀分布时袁 浮子上升高度也是绝对均匀的袁 利用上述理论计算公式袁 分析此时锥形浮子的锥面形状遥根据改进前已有的流量选型表袁 各流量段有对应的浮子号即浮子尺寸已知袁 浮子材质选用不锈钢 316L袁 测量介质为水袁 因此公式中的浮子密度尧 浮子体积尧 流体密度和浮子最大迎流面积为已知量袁 流出系数为常数6袁 将这些量合并为一个固定的数值 K袁 即简化后的公式为院QV=KA渊2冤由简化后的公式 渊2冤 可知袁 流量与环形流通面积之间为一一对应的线性关系遥 环形流通面积是由孔板内径和锥形浮子外径形成袁 孔板内径为已知固定值袁 变化的环形流通面积主要通过锥形浮子控制袁 锥浮子外径是变量袁 即A=仔R2-仔r2渊3冤式中院 R 为孔板内径袁 r 为锥浮子外径遥把公式 渊3冤 带入公式 渊2冤 中院QV=K仔R2-K仔r2渊4冤令 K仔R2=a袁 K仔=b袁 公式化简为院QV=a-br2渊5冤此公式为抛物线曲线遥 通过上述的推导袁 分析出当流量显示输出为绝对均匀时袁 锥形浮子的锥面形状应为抛物线遥2对锥形浮子进行改进分析理论上袁 若锥形浮子的锥面加工成抛物线形状就可以实现流量绝对均匀输出袁 但是在实际加工生产中袁 抛物线不易加工曰 同时袁 流量计量程按照用户的需求袁 不同的量程值对应不同的抛物线形状袁 无法实际批量生产袁 影响生产效率遥 因此袁 对锥形浮子改进要均衡加工性和生产效率袁最终确认改进的方向是使流量输出分布尽量趋于均匀袁 提高测量精度和刻度盘分布视觉效果遥由于圆弧面易于加工袁 只需要普通的数控机床即可袁 因此袁 将锥形浮子锥面形状由抛物线近似设计为圆弧面7遥 因流量理论计算公式存在一定的误差8袁 得出的结论只能作为参考袁 需要再结合改进前的试验标定数据确定圆弧锥形浮子的尺寸遥以口径 DN25袁 流量 2500 L/h 的孔板式浮子流量计为例袁 进行具体的改进过程分析遥 改进前的锥形浮子是直锥面袁 试验标定数据取 0尧10%尧 20%尧 30%尧 40%噎噎11 个流量点数据9袁结果如表 1 所示袁 刻度差值是指相邻流量点的刻度差遥图 1工作原理图浮子流量计锥形浮子改进分析与试验研究王婷婷-13-叶仪器仪表与分析监测曳 2023 年第 3期将标定结果数据制作成刻度盘袁 如图 2b 所示袁 刻度中长线对应的是 11 个流量点袁 与图 2a所示的标准刻度盘进行对比可知袁 前 40%流量跨度比较大袁 分布比较疏散袁 后 40%流量跨度小袁分布比较集中袁 视觉效果差遥 同时测量精度也差袁例如 90%到 100%只有两个刻度格袁 因流量变化点相距太近袁 可能 93%到 97%范围间的流量都指示在 95%的位置遥 其他口径和流量段的分布情况均类似遥由表 1 数据可知袁 流量点 50%处袁 对应标准刻度盘的位置为 62%袁 说明锥形浮子上升到总行程的 62%袁 即 62%总行程处的浮子外径与孔板内径形成的环形流通面积才能测出 50%的流量遥 理想状态下应该是锥形浮子上升到总行程的 50%袁即 50%总行程处的浮子外径与孔板内径形成的环形流通面积就可以测出 50%的流量袁 因此需将62%处的浮子外径移动到 50%处袁 如图 3 所示袁即将 c 点移动到 d 点袁 由 a尧 b尧 d 三点确认圆弧遥由表 1 数据可知袁 流量点 10%80%位置点均同50%处一样偏高袁 通过新确认的圆弧袁 可将 10%80%位置点均向下进行调整袁 即对应图 3 所有的半径点均上移遥 图 2 中前 40%的流量跨度大袁 说明倾斜角 琢 较小袁 新确认的圆弧增加了倾斜角 琢的角度值曰 后 40%的流量跨度小袁 说明倾斜角 茁较大袁 新确认的圆弧降低了倾斜角 茁 的角度值遥通过上述方法袁 可将直面锥形浮子改进为圆弧面锥形浮子遥3试验验证通过流量标定装置袁 对改进后的圆弧锥形浮子进行实流标定试验袁 试验标定数据取 0100%11 个流量点数据袁 结果如表 2 所示遥 当理想状态分布完全均匀时袁 各 10%的刻度差值应该是一致的遥 对比改进前和改进后的试验数据袁 改进前各10%的刻度差值最大为 14尧 最小为 4袁 相差 10曰改进后差值最大为 12尧 最小为 8袁 相差 4曰 由 10降为 4袁 整体的分布均匀性得到明显提高遥 同时袁刻度差最小 4 增加为最小 8袁 流量变化点间距加大袁 测量精度明显可以提高遥将标定结果数据制作成刻度盘袁 如图 4b 所示袁 与图 2b 改进前的刻度盘进行对比袁 分布均匀性明显提高袁 不再有前段疏散后段集中的现象袁整体分布趋于均匀袁 视觉效果较好袁 趋近于标准刻度盘呈现的分布效果遥按照上述改进过程袁 改进各个口径和流量段的锥形浮子遥 对不同的管道口径和流量范围袁 给出不同的浮子尺寸袁 通过实流标定验证和分析袁最终得出对应的浮子尺寸遥 以 DN20 口径的流量计为例袁 可测的满量程区间在 6502000L/h(20益水)之间袁 最终确认 5 种浮子尺寸涵盖整个流量范围遥 比如 1 号浮子对应的满量程范围是 650表 1直面锥形浮子的试验标定结果流量点/%0102030405060708090100对应标准盘位置/%014284052627076828690刻度差值141412121086644图 3改进过程示意图图 2改进前刻度盘对比图-14-图 4改进后刻度盘对比图表 2圆弧面锥形浮子的试验标定结果流量点/%0102030405060708090100对应标准盘位置/%012243444546272808898刻度差值12121010108108810800 L/h袁 当客户要求流量计量程在这个区间内袁就选择 1 号浮子曰 以此类推袁 在分段流量值范围内均可选择到适合的浮子型号遥4结束语通过理论分析和改进前试验标定数据相结合袁将直面锥形浮子改为圆弧面袁 该改进方案均衡了可加工性尧 加工效率和分布均匀性遥 最终通过流量标定装置进行试验验证袁 证明改进后的圆弧面锥形浮子流量输出的分布均匀性明显好于改进前的直面锥形浮子袁 提高了产品测量精度袁 并提高了指针式刻度盘的视觉效果遥 丹东通博电器 渊集团冤有限公司目前生产的浮子流量计均是采用圆弧面锥形浮子袁 已取得国家专利 渊ZL201721613417.0冤袁测量效果好袁 客户反馈良好袁 是值得推广使用的一种提高流量输出分布均匀性的改进方法遥参考文献院1 王飞.流量仪表的选型方案探讨J.装备应用与研究袁2019渊26冤院50-51.2 吴效楠袁 扈显琦袁 何南思.金属管转子流量计的测量误差控制J.煤炭与化工袁 2017袁 40(12)院 125-126+147.3 曹珩袁 凡友琴袁 曹珏袁 等.水平安装式金属管转子流量计在气体流量测量中的应用 J.机电工程技术袁2020袁49(07)院64-65.4 张靓.浮子流量计的应用以及示值误差测量不确定度的评定J.仪器仪表标准化与计量袁2020袁渊06冤院33-35.5 王东.金属管浮子流量计的温压补偿技术J.河北省科学院学报袁 2017袁 34渊02冤院 20-23.6 宁新宇.浮子流量计的设计与应用 J.南方金属袁2019(02)院47-50.7 王婷婷袁 李健袁 郭永刚袁 等.浮子流量计的流量检测机构院 ZL201721613417.0P.2018-06-22.8 苏峰袁 张涛袁 刘正先.浮子流量计流量方程的改进与试验研究J.机械工程学报袁 2006袁42(03)院99-103.9 中华人民共和国工业和信息化部.叶金属管浮子流量计曳院 JB/T 6844要2015S.北京院机械工业出版社袁2016.浮子流量计锥形浮子改进分析与试验研究王婷婷-15-