1、浮子流量傳感器的介紹

　　金屬管浮子流量計（又稱金屬管轉(zhuǎn)子流量計，變截面積式流量計），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，進行流量測量時轉(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)子流量計這一名稱的由來。

　　1.1 浮子流量計的分類及應用

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

　　玻璃管浮子流量計

　　要求被測介質(zhì)透明且不粘附于表面。主要特點為成本低，易于安裝和維護，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，為純機械操作，經(jīng)常用來測量液體、氣體。但是玻璃管浮子流量計只適用于現(xiàn)場指示，未能實現(xiàn)信號遠傳，且制造材料的強度限制，只能測量常溫、常壓、透明介質(zhì)。

　　塑料管浮子流量計

　　要求被測介質(zhì)透明且不粘附于表面。主要特點為性價比較高，安裝維護方便，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，塑料管浮子流量計只適用于測量液體。

　　金屬管浮子流量計

　　金屬管浮子流量計不僅能用于透平、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測量或控制不干凈液體的流量。由于金屬管浮子流量計的制造材料為金屬，強度高，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)，但由于金屬的導磁性及浮子流量計工作原理特點，它不適宜測量含磁性的介質(zhì)。金屬管浮子流量計按照其傳輸信號方式又分為遠傳式和就地指示型兩種。

　　隨著科技的進步，由于浮子流量計的量程、穩(wěn)定性和可靠性都得到了很大發(fā)展，浮子流量計本身適應低雷諾數(shù)測量，符合工業(yè)要求，因而被大量應用于流程工業(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，玻璃管浮子流量計與塑料管浮子流量計均無法適應如此復雜的工作環(huán)境，而金屬管浮子流量計由于其本身材質(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的一種。

　　1.1.2 金屬管浮子流量計的發(fā)展

　　隨著科學技術(shù)的發(fā)展，為金屬管浮子流量計的發(fā)展提供有力的支援，使得金屬管浮子流量計在電遠傳、現(xiàn)場指示、測量精度、量程范圍等方面都取得很大進步。浮子位置的測量方法也由單純的機械式發(fā)展到機械式、電子式等多種測量方法。機械式在原來的基礎(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則是通過微處理器進行信號采集、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)，金屬管浮子流量計的非常大可耐壓到達 100MPa，非常高耐溫 300℃，金屬管浮子流量計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、日本的東京計裝公司以及俄羅斯的廠家等。Krohne 公司生產(chǎn)的浮子流量計是在單純機械式的基礎(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。英國 Platon 儀表公司的 C2076金屬管浮子流量計采用了固態(tài)傳感器，是可實現(xiàn)信號的電遠傳和流量累計的電子式金屬管浮子流量計。

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

　　1.3 基于 CFD 方法的浮子流量計內(nèi)部流場計算目前，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)計者的經(jīng)驗以及實流實驗進行驗證分析，該方法成本高、周期長。因而，在浮子流量傳感器設(shè)計中，引入了計算流體動力學（computational fluid dynamics, CFD）。利用 CFD 方法對浮子流量傳感器內(nèi)部流場進行，數(shù)值模擬，不僅能通過實驗和仿真結(jié)果進行分析評價浮子結(jié)構(gòu)設(shè)計，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[10-14]。

　　德國學者 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 計算與 LDA 實驗測試結(jié)果具有很好的一致性，同時分析了數(shù)值計算和實驗數(shù)據(jù)之間有差異的原因。經(jīng)過他們的研究實驗證明，計算流體力學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，越來越多的科學家將 CFD 方法作為進行科學研究的重要手段。

　　徐英采用計算流體力學(CFD)方法，使用標準 K-模型為計算模型，對浮子流量計的仿真模型進行了深入、細致的分析，利用浮子受力平衡度誤差分析法控制計算精度，詳細、科學的研究了浮子流量計的內(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三維流場進行了仿真研究，并通過將仿真結(jié)果與物理實驗結(jié)果比對，驗證和修改初樣設(shè)計。

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

　　葛利俊[23]等設(shè)計了安放在流量計內(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，同時評估了整流器的整流效果。

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