摘(zhāi)要:浮(fú)子流量傳(chuán)感器(qì) 中存在的(de)非線(xiàn)性問(wèn)題是(shì)影響(xiǎng)浮子流量(liàng)計測(cè)量精(jīng)度的(de)一個重要因素(sù)，爲了(le)解決這個(gè)問題(tí),浮子流量(liàng)傳感器(qì)的特性(xìng)，利用(yòng)最小二乘(chéng)法拟(nǐ)合數(shù)據，分(fèn)析浮子高(gāo)度(dù)和(hé)流量(liàng)之間的非(fēi)線性關系理論(lùn)和實驗(yàn)研(yán)究結(jié)果表(biǎo)明，針對目(mù)前應用(yòng)的(de)短(duǎn)管(guǎn)型浮(fú)子流量計(jì)流量(liàng)和浮子高(gāo)度之(zhī)間存在明顯的非線(xiàn)性關系,并(bìng)且(qiě)發現在(zài)其他條件(jiàn)相同(tóng)的情況下(xià)浮子(zǐ)行程(chéng)的增(zēng)加即(jí)錐(zhuī)管(guǎn)錐(zhuī)角的減(jiǎn)小對浮子流(liú)量傳感器線性度(dù)的改善具有重要的作用(yòng).
　　浮子流量計 又(yòu)名 轉(zhuǎn)子流(liú)量計 或面(miàn)積流量計(jì).在測量過程中，始終(zhōng)保持(chí)節(jiē)流(liú)件前(qián)後的壓差不變(biàn)，通過改(gǎi)變流通面積來改變流(liú)量，,所以浮子流量計也叫恒壓降(jiàng)變截面流量(liàng)計.浮子(zǐ)流量計(jì)的量(liàng)程比(bǐ)一般可達10:1,精度約爲(wèi)±(1~2)%.由于浮子流量(liàng)計具(jù)有結構簡(jiǎn)單、使(shǐ)用(yòng)方便、直(zhí)觀、壓損小(xiǎo)、成本(běn)低等特(tè)點，已被(bèi)廣泛應用于實(shí)驗(yàn)室及(jí)生(shēng)産領域".浮子流(liú)量(liàng)計(jì)在測量(liàng)過(guò)程中(zhōng)流量和浮(fú)子高(gāo)度之(zhī)間存(cún)在非(fēi)線性關系,影響(xiǎng)了測量精度和(hé)浮子(zǐ)流(liú)量計的(de)性能(néng)，這個(gè)問題(tí)在目(mù)前(qián)廣泛應(yīng)用的(de) 短(duǎn)管(guǎn)型浮(fú)子流(liú)量計 中尤(yóu)爲明顯,必(bì)須尋求有(yǒu)效的方法(fǎ)來解決.
 
　　qv爲(wèi)浮子(zǐ)流量計的體積(jī)流量(liàng),α爲流(liú)量(liàng)系(xì)數;h爲(wèi)浮子在錐管中(zhōng)的垂(chuí)直位(wèi)置;爲(wèi)錐形管錐(zhuī)半角(jiǎo);vf爲浮子體(tǐ)積;ρf爲(wèi)浮子材(cái)料(liào)密度(dù)ρ爲(wèi)流體密度;af爲(wèi)浮(fú)子垂直(zhí)于流(liú)向(xiàng)的(de)最大截面積;d0爲(wèi)浮子(zǐ)最大迎流(liú)面的(de)直徑(jìng);dh爲(wèi)浮子平衡在h高度時錐(zhuī)形管(guǎn)的直徑;df爲(wèi)浮(fú)子最(zuì)大直徑(jìng)(見圖(tú)1).
 
　　公式(1)是(shì)習用的浮子(zǐ)流量(liàng)計流量(liàng)計量公(gōng)式,一(yī)般認爲在(zài)錐半角(jiǎo)中(zhōng)足夠(gòu)小的情(qíng)況下可(kě)以忽略二(èr)次項(xiàng)(htanφ),公式(1)可(kě)寫(xiě)爲如(rú)下形(xíng)式:
 
　　公式(2)中(zhōng)vf、af、ρf、ρ、α、q、d0及φ都是确定數(shù)值,故(gù)公式(2)中流(liú)量qv與浮子(zǐ)行程(chéng)h具有線性關系(xì).
1.2研究(jiū)對(duì)象(xiàng)
　　目前(qián)流行的短管型(xíng)浮子(zǐ)流量計其(qí)高度統一(yī)爲:250mm，爲(wèi)了和其(qí)他部件相配(pèi)合,浮子在管(guǎn)體(tǐ)内能移動(dòng)的最(zuì)大位移爲(wèi)59mm，在本(běn)文中(zhōng)選擇(zé)浮子(zǐ)行程(chéng)分别(bié)爲45mm(錐半角φ=21°06'),50mm(錐半角φ=18°16')和(hé)55mm(錐半角φ=15°15')的(de)dn80金屬管浮子(zǐ)流(liú)量傳感器(qì) 進行線性度(dù)的研究(jiū)，其流量測量範(fàn)圍爲4~40m'/h,測量(liàng)介質(zhì)爲水，對應(yīng)流(liú)量(liàng)下限時(shí)的最低(dī)雷諾(nuò)數(shù)爲14685.浮子(zǐ)流量(liàng)傳感器的結(jié)構如(rú)圖2所示(shì).
 
1.3非線性誤差計(jì)算公式
　　随着現(xiàn)代技術的發展，進行測量的非(fēi)線性計(jì)算已非(fēi)難事.目前(qián)，國内(nèi)外金屬管(guǎn)浮子流量計采用的線性化技術主要有(yǒu)兩種:-是應(yīng)用四連杆進行(háng)非線性修正;二(èr)是利(lì)用(yòng)凸(tū)輪進(jìn)行非(fēi)線性修正(zhèng).另外，還出(chū)現了(le)帶微處理器的智能(néng)流量(liàng)計，采用物(wù)位傳感器(qì)檢測浮子(zǐ)位移(yí)，由微處(chù)理器通(tōng)過軟件進(jìn)行(háng)線(xiàn)性化(huà)，從而(ér)使儀(yí)表結(jié)構(gòu)更簡化(huà)，精度更(gèng)高'".故當(dāng)前流行的金屬(shǔ)管浮(fú)子流量計(jì)一般(bān)均采(cǎi)用250mm的儀表總(zǒng)長(zhǎng)度,如(rú)圖2所示,不僅可(kě)以(yǐ)節約原材料(liào),加工制造(zào)簡單(dān),而且體積(jī)小,重量輕，安裝(zhuāng)使用方便.但是爲了(le)達到更(gèng)好(hǎo)的流(liú)量測量效果，還(hái)是應該采(cǎi)用盡(jìn)可能長的錐管(guǎn),增加(jiā)浮子的行(háng)程(chéng),使儀表一次(cì)測量的非(fēi)線性(xìng)盡可(kě)能減小
　　計(jì)算儀(yí)表一次測量的非線(xiàn)性誤差時(shí)利用最小(xiǎo)二乘法(fǎ)來(lái)拟(nǐ)合(hé)直線,非(fēi)線性誤差γ計算公式'"]:
 
　　其(qí)中:△qv爲輸出平均(jun1)值與(yǔ)基(jī)準拟合(hé)直線間的偏差(chà),qvfs爲滿量程(chéng)輸出(chū)平均(jun1)值,k爲拟合直線的斜率,xn爲被測物理(lǐ)量的第n個值,x1爲被測(cè)物理量的第1個值.
2浮子流量計(jì)非線性問(wèn)題的(de)理(lǐ)論(lùn)分析
2.1理論(lùn)計算數據(jù).
　　爲了研究(jiū)浮子流量(liàng)計的非(fēi)線性問題,本文利(lì)用公(gōng)式(1)針對(duì)浮(fú)子在錐管中的垂直(zhí)位置和(hé)流量的(de)對應關系給出(chū)了三(sān)組理論計算數據.
　　在(zài)公式(shì)(1)中，當流(liú)量(liàng)傳感(gǎn)器的結構(gòu)以及(jí)被測流(liú)體介質(zhì)确定下來後，φ、vf、ρf、ρ、af、d0、dh、df以及α這些變量都(dōu)是已知量(liàng)，是不(bú)變的.表(biǎo)1、表2,表3分(fèn)别給(gěi)出(chū)了利用(yòng)公式(shì)(1)計算的行程爲45mm,50mm和55mm的(de)情況(kuàng)下浮子高度和流量(liàng)之(zhī)間的對應關系(xì)，其中浮子高度是浮子(zǐ)在錐管中的垂(chuí)直位置.數據(jù)表(biǎo)中的第三列是利用(yòng)公(gōng)式(shì)(3)計算(suàn)出來的(de)相應流(liú)量點(diǎn)的非線性(xìng)誤差.
 
2.2理論(lùn)計(jì)算數據(jù)分析(xī)
　　對2.1節(jiē)中的理(lǐ)論計算數據(jù)進行非線(xiàn)性誤差分析.
　　如(rú)圖3所示,(a)、(b),(c)分别是(shì)行程爲45mm,50mm和(hé)55mm的浮(fú)子流量計浮子高度和流量間(jiān)對應關系(xì)曲線(xiàn)及利用最(zuì)小二乘法拟(nǐ)合的直(zhí)線.從表(biǎo)1.表(biǎo)2，表3中第三列所示的(de)非(fēi)線性誤(wù)差數(shù)據可以看出，當(dāng)利用(yòng)公式(1)進行流量計(jì)算時在(zài)不同(tóng)的流量點(diǎn)處(chù)流(liú)量和(hé)浮子(zǐ)高度之間(jiān)表(biǎo)現(xiàn)出了不同(tóng)的非(fēi)線性誤(wù)差(chà),流量(liàng)和浮子(zǐ)高度之(zhī)間(jiān)不(bú)是線(xiàn)性對(duì)應關系(xì).
 
當浮子(zǐ)行程是45mm(錐(zhuī)半角φ=21°06')時:最大非(fēi)線性(xìng)誤差(chà)γmx=15.46%,平(píng)均(jun1)非線(xiàn)性誤(wù)差γ=6.34%
當浮子(zǐ)行程是50mm(錐(zhuī)半角(jiǎo)中=18°16')時(shí):最大非線(xiàn)性誤差ymax=14.56%,平(píng)均非線性(xìng)誤差γ=5.01%.
當浮(fú)子(zǐ)行程是55mm(錐半角φ=15°15')時:最大非線(xiàn)性誤(wù)差ymax=6.24%,平均非線性誤差γ=3.61%.
　　對比(bǐ)三個不同行程(chéng)下最(zuì)大非線性(xìng)誤差和平(píng)均非(fēi)線性誤差的數(shù)值可以(yǐ)看出，當浮子行程(chéng)分别(bié)爲45mm.50mm,55mm,即相應的錐(zhuī)半角爲(wèi)φ=21°06'φ=18°16'中=15°15'時，無論是非線(xiàn)性誤差的最大值還(hái)是平(píng)均值都有很明顯(xiǎn)的減小(xiǎo)，尤其是浮(fú)子流(liú)量計的線(xiàn)性度(dù)即最(zuì)大(dà)非線性(xìng)誤差(chà)分别爲γmax=15.46%、γ=14.56%,γmax=6.24%，浮(fú)子流量(liàng)計(jì)的線(xiàn)性度從(cóng)理(lǐ)論計(jì)算上有了(le)明顯的改(gǎi)善.
3浮子流(liú)量計非線(xiàn)性問(wèn)題(tí)的(de)實驗研究(jiū)
　　該過程對如1.2節所述(shù)的浮(fú)子流(liú)量傳(chuán)感(gǎn)器(qì)進行實驗(yàn)研(yán)究.
3.1實驗(yàn)裝置
　　實驗裝置(zhì)如圖4所示(shì)，采用(yòng)稱重法對(duì)金屬(shǔ)浮子流量計進(jìn)行标(biāo)定.實(shí)驗過(guò)程如下所述:
 
　　實(shí)驗中(zhōng)所需流體(tǐ)介質來自高位穩壓水塔(tǎ),流體經過(guò)進(jìn)水(shuǐ)閥1進(jìn)入過濾罐2,3爲标(biāo)準表(biǎo)，可(kě)以監視(shì)管道中的流量(liàng)值,電動(dòng)調(diào)節閥(fá)4起選通作用,從平衡罐5流出的(de)流體進入金屬(shǔ)管浮(fú)子流(liú)量計(jì)8,再經過流量調節閥(fá)10從噴嘴11不(bú)斷(duàn)向量器13中注入，當量(liàng)器13中注(zhù)滿流體以後換(huàn)向器(qì)12自動換向(xiàng),使得從噴嘴11流(liú)過來的流體不(bú)再進入量器13,而是進入量器13右(yòu)側的回水槽,此時電子秤15可以(yǐ)稱(chēng)出量器13中流(liú)體的重量，通過計算機(jī)17中的程(chéng)序顯示(shì)結果可以看到流(liú)量值(zhí)，之後打開(kāi)放水(shuǐ)閥14放水，當量(liàng)器(qì)13中的(de)水全部都(dōu)放完(wán)時(shí),電(diàn)子秤(chèng)15清零(líng),換向(xiàng)器12又(yòu)自動換(huàn)向到量(liàng)器13-側,使得流體不斷的注(zhù)入,準備下(xià)一次實驗.
3.2實驗數據
　　實驗(yàn)過程中選(xuǎn)取10個(gè)流量點進行實(shí)驗,單行程每點(diǎn)重複測量(liàng)3次,正(zhèng)反行程(chéng)各5次.對每個(gè)實(shí)驗點處的樣(yàng)本取(qǔ)平均(jun1)(30次平均值).實驗數據如表(biǎo)4,表5和(hé)表6所(suǒ)示，其中标(biāo)準流量是(shì)實驗(yàn)過程中利用(yòng)稱(chēng)重法(fǎ)得到的流量,即(jí)流(liú)過金屬浮子流量計的(de)流量,浮(fú)子高度(dù)是浮子在(zài)錐(zhuī)管中的垂直位置(zhì).同樣數(shù)據表中(zhōng)的第三列是利用(yòng)公(gōng)式(3)計(jì)算出(chū)來的非線性(xìng)誤差.
 
3.3實(shí)驗數(shù)據分(fèn)析
　　如圖5所(suǒ)示爲(wèi)根據(jù)實(shí)驗過程(chéng)中所得到的标(biāo)準流量和浮子(zǐ)高度(dù)之間的對(duì)應關系曲線及(jí)相應的利(lì)用最(zuì)小二乘法得到(dào)的拟合直線.
 
　　下(xià)面對行(háng)程分别(bié)是45mm、50mm,55mm的浮子流量計的(de)非線性誤(wù)差值(zhí)作(zuò)一下比(bǐ)較.從(cóng)表4、表5，表6中(zhōng)的非線性誤差數據(jù)可(kě)以看出，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中(zhōng)流量和(hé)浮子高(gāo)度之(zhī)間也并(bìng)不是簡單的一對(duì)應的線(xiàn)性(xìng)關系,二者(zhě)之間(jiān)存在(zài)嚴重的非(fēi)線性(xìng)，這也進(jìn)一步證(zhèng)明了在(zài)進(jìn)行流量計算時不能(néng)利用公(gōng)式(shì)(2)對流量和高度之間(jiān)的關系進行線(xiàn)性化處理(lǐ),而應(yīng)該利(lì)用公式(1)進(jìn)行計算.
當浮子(zǐ)行程(chéng)是45mm(錐(zhuī)半角(jiǎo)φ=21°06')時:最大非線性誤差(chà)γmax=12.43%，平均(jun1)非線(xiàn)性誤(wù)差(chà)γ=6.71%.
當浮子行程是50mm(錐(zhuī)半角(jiǎo)中=18°16')時:最大非線(xiàn)性誤差γmax=11.45%,平均非(fēi)線性誤差γ=5.08%.
當浮子行程(chéng)是55mm(錐半角φ=15°15')時:最大非線(xiàn)性誤差γmx=5.66%,平均非(fēi)線性(xìng)誤差v=3.28%.
　　對比(bǐ).上述兩組(zǔ)最大非線(xiàn)性誤差和(hé)平均非線(xiàn)性誤(wù)差的(de)數值可以(yǐ)看出(chū)，當浮子行程爲45mm、50mm,55mm，相應(yīng)的錐半角爲φ=21°06'φ=18°16'φ=15°15'時浮子流量(liàng)計(jì)非(fēi)線性誤差的最(zuì)大值(zhí)和平均值也都(dōu)有了很(hěn)明顯的減小，其中(zhōng)浮子(zǐ)流量(liàng)計的線性(xìng)度即最大(dà)非線(xiàn)性誤(wù)差(chà)分别爲γmax=12.43%γmax=11.45%γmax=5.66%,儀表(biǎo)的線(xiàn)性度(dù)得到了很(hěn)好的.改善(shàn).
4結論
　　本文針對(duì)浮子流量(liàng)計的線性(xìng)度問(wèn)題進行(háng)了(le)研究(jiū)，文中給(gěi)出了在(zài)三種行(háng)程下不(bú)同(tóng)的(de)流(liú)量(liàng)點處(chù)的非線性誤差值，并(bìng)從理(lǐ)論和(hé)實驗做了對比(bǐ)分析(xī).理(lǐ)論分析(xī)和實(shí)驗研究表(biǎo)明,在(zài)目前應用(yòng)的短管型浮子(zǐ)流量計(jì)中(zhōng)流量(liàng)和浮子高(gāo)度之(zhī)間不是一--對應(yīng)的線性(xìng)關(guān)系,因(yīn)此在(zài)進行流量(liàng)計時(shí)不(bú)能(néng)選用(yòng)公式(shì)(2),而應該選(xuǎn)擇公式(1).
　　分析兩個行(háng)程下的浮(fú)子流量計(jì)非線(xiàn)性誤(wù)差(chà)數據可(kě)以得(dé)到如(rú)下結(jié)論:浮(fú)子的行程(chéng)(錐管的(de)錐角)是(shì)影響浮(fú)子流量(liàng)計線性(xìng)度(dù)的一(yī)個重(zhòng)要因(yīn)素,适(shì)當增(zēng)加浮(fú)子的行程(chéng)、減小錐管(guǎn)的錐角，可(kě)以使一次(cì)儀表的線(xiàn)性度(dù)有很大的改(gǎi)善(shàn)，這對(duì)于浮(fú)子流量(liàng)傳(chuán)感器結構的(de)設計與(yǔ)優化具(jù)有重要(yào)的指導意義.

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