對電容角位移式智能金屬管浮子流量計研究淺析

電容角位移式智能金屬管浮子流量計的研究基于浮子流量計普遍流量方程［1］及電容角位移式傳感器檢測機理的新型智能金屬管浮子流量計，實現了對流量的*測量。本文詳細介紹該流量計計量原理、轉換器的設計、信號的智能化處理、樣機標定及誤差分析，給出了3臺樣機均顯示可喜成績，獲得較高精度。

1 引 言
流量的*測量在節能降耗、經濟核算、自動控制等方面有著廣泛應用。在中低流速流量測量中浮子流量計起著非常重要的作用。
目前國內金屬管浮子流量計的引進產品和國產產品中，理論上主要依據W．Miler 的研究成果［1］，實際設計中又采用機械結構進行流量計算，由此而存在三方面的不足，首先，理論上存在一定缺陷；其次，是機械結構無法進行流量的*計量；第三，必須根據被測介質的密度、工況條件及流量范圍進行逐臺設計制造，給生產廠和使用部門帶來不便。
本文研制的金屬管浮子流量計，在仔細研究國內外浮子流量計流量理論公式后，應用了大連理工大學李景鶴等推導的浮子流量計普遍流量方程［2］，并設計出較好魯棒性的高精度電容角位移式傳感器，同時用計算機對信號進行智能化處理，將被測介質及工況參數等置入計算機中，自動完成刻度換算，較好地解決了上述三方面問題。


2 計量原理與整機設計

2.1 計量原理

如圖1所示，浮子放于垂直的錐形管道中，隨著流體速度的變化而上下移動。浮子受重力、浮力、迎流壓差阻力及粘性應力的作用，當浮子在垂直方向上合力為零時達到平衡狀態，浮子處于某一穩定的位置。當來流速度變化時，浮子向下與向上的作用力達到一個新的平衡狀態，浮子又處于一個新的穩定位置。

圖1 浮子流量計原理
在針對浮子流量計理論推導流量公式的分析過程中，本文既沒有采納早期的J．C．Whitwell 和D．S．Plumb 的理論推導成果［3］，也沒有采納現今以W．Miler的研究成果［2］為代表的流量公式，因為兩者都是根據經典伯努力方程推導得到的浮子截流壓差與流體連續方程聯解，其中，Whitwell 和Plumb 未考慮工作浮子受力平衡關系，因此未獲得既反映流體特性又反映浮子特性的通用流量方程；Miller 雖然考慮了工作浮子受力平衡關系，但在聯解推導中忽略了浮子自身高度的影響，他推出的流量方程［2］與經典類比推理法［4］導得的方程完全相同。為提高浮子流量計的測量精度，本文依照李景鶴等1994年推導出的浮子流量計普遍流量方程［1］設計出一定流量范圍的金屬管浮子流量計，并通過第5部分的實際樣機標定進一步證實了該方程的科學性。該流量方程適用于氣體和液體的測量，式中 Δh－－浮子節流幾何高度可見，幾何相似的浮子，β值相同。

分析（1） 式可知，對某一特定結構的浮子流量計，即錐管的錐度與浮子形狀一定，浮子的流量QV 與浮子高度h 之間為非線性關系。早期的浮子流量計用減小錐度的方法來降低二次項的影響，要達到一定的流量測量量程必需延長錐管的長度，從而導致加工困難及安裝不便，目前通行的金屬管浮子流量計總高度趨向于250mm，錐管高度為60～70mm，二次項引入的非線性已不可忽略，采用某種方法的非線性機械結構進行流量運算顯然不可能具有高精度的計算結果。本文用計算機計算流量，極大地提高了計算精度，同時提供良好的人機界面。

2.2 整機結構設計

電容角位移式金屬管浮子流量計測量原理圖示于圖2，由傳感器、轉換器、智能信號處理器三部分組成。由于浮子內嵌磁鋼，當浮子上下移動時，磁鋼同時上下移動，與錐管外一端嵌有小磁鋼的機械連桿機構形成內外磁鋼磁路耦合，內磁鋼的運動將引起外磁鋼的位移，從而引起連桿轉動一定角度θ，將浮子直線位移轉換成角度的位移，本文利用電容角位移傳感器將角度的變化轉換為電容量值C 的變化，再經信號處理電路將電容值的變化轉化為電壓信號Vout，*終使檢測電路的輸出信號幅值反映流體瞬時流量的大小。