1、浮子流量傳感器的介紹

　　金屬管浮子流量計(jì)（又稱金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)，變截面積式流量計(jì)），具有非常悠久的歷史，是以浮子在垂直錐型管內(nèi)隨流量變化而升降，從而改變它們之間的環(huán)隙面積的流量儀表。浮子流量計(jì)非常早的文字記錄可追溯到 1868 年艾德蒙德奧古斯丁卡麥羅伊（Edmond Augustin Chame- noy）在美國的專利登記。1910 年，羅達(dá)沃克（Rotarywork）公司，開始利用這種原理制造銷售流量測量產(chǎn)品，在轉(zhuǎn)子上開有螺旋溝槽，進(jìn)行流量測量時(shí)轉(zhuǎn)子繞中心軸作旋轉(zhuǎn)，使其保持在錐管的中央，這也是金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)這一名稱的由來。

　　1.1 浮子流量計(jì)的分類及應(yīng)用

　　浮子流量計(jì)應(yīng)用廣泛，種類繁多，按照其制造材料可分為三種：玻璃管浮子流量計(jì)、塑料管浮子流量計(jì)和金屬管浮子流量計(jì)[3,4]。由于制作材質(zhì)不同，浮子流量計(jì)的功能特點(diǎn)差異很大，因而應(yīng)用領(lǐng)域也不盡相同。

　　玻璃管浮子流量計(jì)

　　要求被測介質(zhì)透明且不粘附于表面。主要特點(diǎn)為成本低，易于安裝和維護(hù)，浮子位置清晰可見，可以直接觀測流體流量大小。測量中不需要電源，為純機(jī)械操作，經(jīng)常用來測量液體、氣體。但是玻璃管浮子流量計(jì)只適用于現(xiàn)場指示，未能實(shí)現(xiàn)信號遠(yuǎn)傳，且制造材料的強(qiáng)度限制，只能測量常溫、常壓、透明介質(zhì)。

　　塑料管浮子流量計(jì)

　　要求被測介質(zhì)透明且不粘附于表面。主要特點(diǎn)為性價(jià)比較高，安裝維護(hù)方便，由于是塑料材質(zhì)，可用來測量超純水，但是由于塑料的材料屬性，塑料管浮子流量計(jì)只適用于測量液體。

　　金屬管浮子流量計(jì)

　　金屬管浮子流量計(jì)不僅能用于透平、干凈的介質(zhì)測量，還適用于不透明、比較干凈的介質(zhì)，甚至可以選用某些浮子流量計(jì)測量或控制不干凈液體的流量。由于金屬管浮子流量計(jì)的制造材料為金屬，強(qiáng)度高，耐腐蝕性好，因此可用于測量高溫、高壓及腐蝕性流體介質(zhì)，但由于金屬的導(dǎo)磁性及浮子流量計(jì)工作原理特點(diǎn)，它不適宜測量含磁性的介質(zhì)。金屬管浮子流量計(jì)按照其傳輸信號方式又分為遠(yuǎn)傳式和就地指示型兩種。

　　隨著科技的進(jìn)步，由于浮子流量計(jì)的量程、穩(wěn)定性和可靠性都得到了很大發(fā)展，浮子流量計(jì)本身適應(yīng)低雷諾數(shù)測量，符合工業(yè)要求，因而被大量應(yīng)用于流程工業(yè)領(lǐng)域，起著極為重要的作用。流程工業(yè)生產(chǎn)的工作環(huán)境苛刻，儀表常常工作于高溫、高壓、低溫、易燃或有毒的環(huán)境下，玻璃管浮子流量計(jì)與塑料管浮子流量計(jì)均無法適應(yīng)如此復(fù)雜的工作環(huán)境，而金屬管浮子流量計(jì)由于其本身材質(zhì)為金屬，能夠耐高溫、高壓和腐蝕性，因而得到更廣泛的應(yīng)用。

　　本文中所研究的孔板浮子流量傳感器是金屬管浮子流量計(jì)的一種。

　　1.1.2 金屬管浮子流量計(jì)的發(fā)展

　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，為金屬管浮子流量計(jì)的發(fā)展提供有力的支援，使得金屬管浮子流量計(jì)在電遠(yuǎn)傳、現(xiàn)場指示、測量精度、量程范圍等方面都取得很大進(jìn)步。浮子位置的測量方法也由單純的機(jī)械式發(fā)展到機(jī)械式、電子式等多種測量方法。機(jī)械式在原來的基礎(chǔ)上加入了轉(zhuǎn)角變送器，輸出的是差壓信號，提高了測量精度。電子式的金屬管浮子流量計(jì)則是通過微處理器進(jìn)行信號采集、轉(zhuǎn)換和輸出顯示。隨著加工工藝的發(fā)展與新型材料的研發(fā)，金屬管浮子流量計(jì)的非常大可耐壓到達(dá) 100MPa，非常高耐溫 300℃，金屬管浮子流量計(jì)的具有了更廣闊的前景，更龐大的市場。

　　目前，生產(chǎn)金屬管浮子流量計(jì)的國外廠家主要有美國的 King 儀表公司、英國的 Platon 儀表公司、德國的 Krohne 公司、日本的東京計(jì)裝公司以及俄羅斯的廠家等。Krohne 公司生產(chǎn)的浮子流量計(jì)是在單純機(jī)械式的基礎(chǔ)上是裝有轉(zhuǎn)角變送器，輸出差壓信號，是新型金屬管浮子流量計(jì)。英國 Platon 儀表公司的 C2076金屬管浮子流量計(jì)采用了固態(tài)傳感器，是可實(shí)現(xiàn)信號的電遠(yuǎn)傳和流量累計(jì)的電子式金屬管浮子流量計(jì)。

　　相比國外，我國國內(nèi)的金屬管浮子流量計(jì)起步較晚，但發(fā)展較為迅速。20 世紀(jì)中期，我國上海某廠產(chǎn)出帶輸出信號的金屬管浮子流量計(jì)[6-9]。70 年代，我國制定浮子流量計(jì)的行業(yè)規(guī)范，以使浮子流量計(jì)生產(chǎn)規(guī)范化。在國內(nèi)學(xué)者和技術(shù)人員的努力下，金屬管浮子流量計(jì)有了較為成熟的、以機(jī)械式為主的產(chǎn)品。但與國外產(chǎn)品相比，國內(nèi)的金屬管浮子流量計(jì)仍然生產(chǎn)水平仍然較低，在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)研發(fā)、制造工藝、加工效率等方面，落后于國外先進(jìn)產(chǎn)品。

　　1.3 基于 CFD 方法的浮子流量計(jì)內(nèi)部流場計(jì)算目前，為了降低能耗，提高效益，工業(yè)界對流量傳感器的測量范圍和精度等級的要求日益提高。然而，傳統(tǒng)的產(chǎn)品優(yōu)化上主要是依靠設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)以及實(shí)流實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證分析，該方法成本高、周期長。因而，在浮子流量傳感器設(shè)計(jì)中，引入了計(jì)算流體動力學(xué)（computational fluid dynamics, CFD）。利用 CFD 方法對浮子流量傳感器內(nèi)部流場進(jìn)行，數(shù)值模擬，不僅能通過實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果進(jìn)行分析評價(jià)浮子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而且還可以分析得到的微觀流場的速度分布、流動分離以及壓力分布等多方面的數(shù)據(jù)，成本低、周期短、提供信息詳實(shí)[10-14]。

　　德國學(xué)者 Bueckle.U  和 Durst.F[15,16]首次將 CFD  方法引入浮子流量傳感器研究之中，證明了 CFD 計(jì)算與 LDA 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果具有很好的一致性，同時(shí)分析了數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間有差異的原因。經(jīng)過他們的研究實(shí)驗(yàn)證明，計(jì)算流體力學(xué)方法可以用于分析浮子流量傳感器的內(nèi)部微觀流場以及受力，在此基礎(chǔ)上，越來越多的科學(xué)家將 CFD 方法作為進(jìn)行科學(xué)研究的重要手段。

　　徐英采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法，使用標(biāo)準(zhǔn) K-模型為計(jì)算模型，對浮子流量計(jì)的仿真模型進(jìn)行了深入、細(xì)致的分析，利用浮子受力平衡度誤差分析法控制計(jì)算精度，詳細(xì)、科學(xué)的研究了浮子流量計(jì)的內(nèi)部受力及流量值等微觀信息。

　　葉佳敏[20,21]等對水平式以及豎直式安裝金屬管浮子流量計(jì)三維流場進(jìn)行了仿真研究，并通過將仿真結(jié)果與物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果比對，驗(yàn)證和修改初樣設(shè)計(jì)。

　　蘇鋒[22]對測量低粘度流體介質(zhì)金屬管浮子流量計(jì)進(jìn)行了仿真研究，分析了浮子受力，并且計(jì)算得到浮子受力平衡下的流量，通過將仿真數(shù)值與物理實(shí)驗(yàn)比對，證明該仿真模型滿足金屬管浮子流量計(jì)設(shè)計(jì)的需要。

　　葛利俊[23]等設(shè)計(jì)了安放在流量計(jì)內(nèi)部的列狀整流器，比較分析了安裝不同整流器的內(nèi)部流場變化和仿真結(jié)果，同時(shí)評估了整流器的整流效果。

　　樸立華[24,25]利用 CFD 方法實(shí)現(xiàn)大口徑錐管浮子流量傳感的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，并在利用實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)合的情況下，提出了雙錐型孔板浮子流量傳感器設(shè)計(jì)，大大提高了孔板浮子流量傳感器的線性度，改善壓損情況。