電容角位移式智能金屬管浮子流量計(jì)的研究基于浮子流量計(jì)普遍流量方程［1］及電容角位移式傳感器檢測(cè)機(jī)理的新型智能金屬管浮子流量計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)流量的*測(cè)量。本文詳細(xì)介紹該流量計(jì)計(jì)量原理、轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)、信號(hào)的智能化處理、樣機(jī)標(biāo)定及誤差分析，給出了3臺(tái)樣機(jī)均顯示可喜成績(jī)，獲得較高精度。

1 引 言
流量的*測(cè)量在節(jié)能降耗、經(jīng)濟(jì)核算、自動(dòng)控制等方面有著廣泛應(yīng)用。在中低流速流量測(cè)量中浮子流量計(jì)起著非常重要的作用。
目前國內(nèi)金屬管浮子流量計(jì)的引進(jìn)產(chǎn)品和國產(chǎn)產(chǎn)品中，理論上主要依據(jù)W．Miler 的研究成果［1］，實(shí)際設(shè)計(jì)中又采用機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行流量計(jì)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(jī)械結(jié)構(gòu)無法進(jìn)行流量的*計(jì)量；第三，必須根據(jù)被測(cè)介質(zhì)的密度、工況條件及流量范圍進(jìn)行逐臺(tái)設(shè)計(jì)制造，給生產(chǎn)廠和使用部門帶來不便。
本文研制的金屬管浮子流量計(jì)，在仔細(xì)研究國內(nèi)外浮子流量計(jì)流量理論公式后，應(yīng)用了大連理工大學(xué)李景鶴等推導(dǎo)的浮子流量計(jì)普遍流量方程［2］，并設(shè)計(jì)出較好魯棒性的高精度電容角位移式傳感器，同時(shí)用計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行智能化處理，將被測(cè)介質(zhì)及工況參數(shù)等置入計(jì)算機(jī)中，自動(dòng)完成刻度換算，較好地解決了上述三方面問題。


2 計(jì)量原理與整機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 計(jì)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(dòng)。浮子受重力、浮力、迎流壓差阻力及粘性應(yīng)力的作用，當(dāng)浮子在垂直方向上合力為零時(shí)達(dá)到平衡狀態(tài)，浮子處于某一穩(wěn)定的位置。當(dāng)來流速度變化時(shí)，浮子向下與向上的作用力達(dá)到一個(gè)新的平衡狀態(tài)，浮子又處于一個(gè)新的穩(wěn)定位置。

圖1 浮子流量計(jì)原理
在針對(duì)浮子流量計(jì)理論推導(dǎo)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(dǎo)成果［3］，也沒有采納現(xiàn)今以W．Miler的研究成果［2］為代表的流量公式，因?yàn)閮烧叨际歉鶕?jù)經(jīng)典伯努力方程推導(dǎo)得到的浮子截流壓差與流體連續(xù)方程聯(lián)解，其中，Whitwell 和Plumb 未考慮工作浮子受力平衡關(guān)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(guān)系，但在聯(lián)解推導(dǎo)中忽略了浮子自身高度的影響，他推出的流量方程［2］與經(jīng)典類比推理法［4］導(dǎo)得的方程完全相同。為提高浮子流量計(jì)的測(cè)量精度，本文依照李景鶴等1994年推導(dǎo)出的浮子流量計(jì)普遍流量方程［1］設(shè)計(jì)出一定流量范圍的金屬管浮子流量計(jì)，并通過第5部分的實(shí)際樣機(jī)標(biāo)定進(jìn)一步證實(shí)了該方程的科學(xué)性。該流量方程適用于氣體和液體的測(cè)量，式中 Δh－－浮子節(jié)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(duì)某一特定結(jié)構(gòu)的浮子流量計(jì)，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(guān)系。早期的浮子流量計(jì)用減小錐度的方法來降低二次項(xiàng)的影響，要達(dá)到一定的流量測(cè)量量程必需延長(zhǎng)錐管的長(zhǎng)度，從而導(dǎo)致加工困難及安裝不便，目前通行的金屬管浮子流量計(jì)總高度趨向于250mm，錐管高度為60～70mm，二次項(xiàng)引入的非線性已不可忽略，采用某種方法的非線性機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行流量運(yùn)算顯然不可能具有高精度的計(jì)算結(jié)果。本文用計(jì)算機(jī)計(jì)算流量，極大地提高了計(jì)算精度，同時(shí)提供良好的人機(jī)界面。

2.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電容角位移式金屬管浮子流量計(jì)測(cè)量原理圖示于圖2，由傳感器、轉(zhuǎn)換器、智能信號(hào)處理器三部分組成。由于浮子內(nèi)嵌磁鋼，當(dāng)浮子上下移動(dòng)時(shí)，磁鋼同時(shí)上下移動(dòng)，與錐管外一端嵌有小磁鋼的機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)形成內(nèi)外磁鋼磁路耦合，內(nèi)磁鋼的運(yùn)動(dòng)將引起外磁鋼的位移，從而引起連桿轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度θ，將浮子直線位移轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為電容量值C 的變化，再經(jīng)信號(hào)處理電路將電容值的變化轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)Vout，*終使檢測(cè)電路的輸出信號(hào)幅值反映流體瞬時(shí)流量的大小。