摘要:浮(fu)子流量(liang)傳感器(qi) 中存在(zài)的非線(xian)性問題(ti)是影響(xiǎng)浮子流(liu)量計測(ce)量精度(dù)的一個(gè)重要因(yīn)素，爲了(le)解決這(zhè)個問題(ti),浮子流(liú)量傳感(gan)器的特(tè)性，利用(yong)📱最小二(er)乘法拟(nǐ)合數據(ju)，分析浮(fu)子高度(dù)和流量(liàng)之間的(de)非線性(xing)關系理(lǐ)論和實(shí)驗研究(jiu)結果表(biǎo)明，針對(dui)目前應(yīng)用的短(duǎn)管型浮(fú)子流量(liang)計流量(liàng)和浮子(zi)高度之(zhī)間存在(zai)明顯的(de)非線性(xìng)關系,并(bìng)💛且發現(xian)在其他(tā)條件相(xiàng)同的情(qing)🙇🏻況下浮(fú)子行程(cheng)的增🐪加(jiā)即錐管(guǎn)錐角的(de)🙇🏻減小對(dui)浮子流(liú)量傳感(gan)器線性(xìng)度的改(gǎi)善具有(you)重要的(de)作用.
　　浮(fú)子流量(liàng)計 又名(míng) 轉子流(liu)量計 或(huo)面積流(liú)量計.在(zai)測量過(guò)程中，始(shi)終保持(chi)節流件(jian)前後的(de)壓差不(bú)變，通過(guò)改變流(liú)通面積(jī)來改變(bian)流量，,所(suǒ)以浮子(zi)流量計(jì)🏃🏻‍♂️也叫恒(héng)壓降變(bian)截面流(liú)量計.浮(fú)子流量(liang)計的量(liàng)程比一(yī)般可達(da)10:1,精度約(yue)爲±(1~2)%.由于(yú)浮子流(liú)量🐇計具(ju)有結構(gòu)簡單、使(shǐ)用方便(biàn)、直觀、壓(yā)損小、成(cheng)本低等(děng)🤩特點，已(yǐ)被廣🔞泛(fàn)應用于(yu)實驗室(shì)及生産(chan)領域".浮(fu)子流✉️量(liàng)計在測(ce)量過✍️程(cheng)中流量(liang)和浮子(zǐ)高度之(zhī)間存在(zài)非線性(xìng)關系🐕,影(ying)響了測(ce)量精度(dù)和浮子(zi)✨流量計(ji)的性能(néng)，這個問(wen)題在目(mu)前廣👈泛(fàn)應用的(de) 短管型(xing)浮子流(liú)量計 中(zhōng)尤爲明(míng)顯,必須(xū)尋求有(you)效的方(fang)法來解(jiě)決.
 
　　Qv爲浮(fu)子流量(liang)計的體(ti)積流量(liang),α爲流量(liàng)系數;h爲(wei)浮子在(zai)錐🔞管中(zhong)的🔆垂直(zhi)位置;爲(wèi)錐形管(guan)錐半角(jiǎo);Vf爲浮子(zǐ)體積♻️;ρf爲(wèi)浮子材(cái)料密度(du)ρ爲流體(tǐ)密度;Af爲(wei)浮子垂(chui)直于流(liu)向🔆的最(zui)大截面(miàn)積;D0爲浮(fú)子最大(da)迎🈲流面(miàn)的直徑(jìng);Dh爲浮子(zi)平衡在(zai)h高度時(shí)錐形管(guǎn)的直徑(jìng)🈲;df爲浮子(zi)最大直(zhi)徑(見🧑🏽‍🤝‍🧑🏻圖(tú)1).
 
　　公式(1)是(shi)習用的(de)浮子流(liu)量計流(liu)量計量(liàng)公式,一(yi)般認爲(wei)在錐半(bàn)角中足(zú)夠小的(de)情況下(xia)可以忽(hū)略二次(ci)項(htanφ),公式(shi)(1)可寫爲(wei)如下形(xing)式:
 
　　公式(shì)(2)中Vf、Af、ρf、ρ、α、q、D0及φ都(dōu)是确定(ding)數值,故(gù)公式(2)中(zhong)流量Qv與(yu)浮子行(hang)程h具有(yǒu)線性關(guan)系.
1.2研究(jiū)對象
　　目(mù)前流行(hang)的短管(guan)型浮子(zi)流量計(ji)其高度(dù)統一爲(wèi):250mm，爲了和(hé)其他部(bu)件相配(pei)合,浮子(zi)在管體(tǐ)内能移(yí)動的最(zuì)大位移(yi)爲59mm，在本(ben)文中選(xuan)擇浮子(zi)行程分(fèn)别爲45mm(錐(zhui)半角φ=21°06'),50mm(錐(zhui)半角φ=18°16')和(hé)55mm(錐半角(jiao)φ=15°15')的DN80金屬(shu)管浮子(zǐ)流量傳(chuán)感器 進(jin)行線性(xing)度的研(yan)究，其流(liú)量測量(liang)範圍爲(wèi)4~40m'/h,測量介(jie)質爲🍓水(shui)，對應流(liú)量下限(xiàn)時的最(zuì)低雷諾(nuo)數爲14685.浮(fu)子流量(liang)🐇傳感器(qì)的結構(gòu)如圖🈲2所(suo)示.
 
1.3非線(xian)性誤差(cha)計算公(gong)式
　　随着(zhe)現代技(ji)術的發(fā)展，進行(háng)測量的(de)非線性(xìng)計算已(yǐ)非難事(shì).目前，國(guo)内外金(jin)屬管浮(fu)子流量(liàng)計采用(yong)的線性(xing)化技術(shu)主要有(you)兩✏️種:-是(shì)應用四(si)連杆進(jin)行非線(xiàn)性🏃🏻‍♂️修正(zhèng);二是利(li)用凸輪(lun)進行非(fēi)線性修(xiū)正㊙️.另外(wai)，還出現(xiàn)了帶微(wei)處理器(qì)的智能(néng)流量計(jì)🐉，采用物(wu)位傳感(gǎn)器檢測(cè)浮子位(wei)移，由微(wei)處理器(qì)通過軟(ruǎn)件進行(hang)線性化(huà)，從💋而使(shǐ)儀表結(jie)構更簡(jiǎn)化，精度(dù)更高'".故(gù)當前流(liu)行🚶的金(jīn)屬管浮(fu)子💘流量(liang)計一般(bān)均采用(yòng)250mm的儀🔆表(biao)總長度(du),如圖2所(suo)示,不僅(jǐn)可以節(jiē)約⭐原材(cái)料,加工(gōng)制造簡(jian)單,而且(qie)體🌈積小(xiǎo),重量輕(qīng)，安裝使(shǐ)用方便(biàn).但是爲(wèi)了達到(dao)更好的(de)🤞流量測(cè)量效果(guo)，還♈是應(yīng)該采用(yong)盡可能(néng)長的錐(zhui)管,增加(jia)浮子的(de)行程,使(shǐ)儀表一(yi)次💜測量(liàng)的非線(xian)性盡可(ke)能👌減小(xiǎo)
　　計算儀(yí)表一次(ci)測量的(de)非線性(xing)誤差時(shi)利用最(zuì)小二乘(cheng)法🐪來拟(nǐ)合🤞直線(xian),非線性(xìng)誤差γ計(ji)算公式(shi)'"]:
 
　　其中:△Qv爲(wèi)輸出平(píng)均值與(yǔ)基準拟(nǐ)合直線(xian)間的偏(pian)差,QVFS爲滿(mǎn)量程輸(shu)出平均(jun)值,k爲拟(ni)合直線(xian)的斜率(lǜ),xn爲被測(ce)物理量(liang)的第n個(gè)值,x1爲被(bei)測物理(lǐ)量的第(dì)1個值.
2浮(fu)子流量(liang)計非線(xiàn)性問題(ti)的理論(lùn)分析
2.1理(lǐ)論計算(suan)數據.
　　爲(wèi)了研究(jiu)浮子流(liu)量計的(de)非線性(xing)問題,本(ben)文利用(yòng)公式(1)針(zhen)對浮子(zi)📱在錐管(guan)中的垂(chui)直位置(zhì)和流量(liàng)的對應(ying)關系給(gei)出了三(sān)組理論(lùn)計算數(shù)據.
　　在公(gōng)式(1)中，當(dāng)流量傳(chuán)感器的(de)結構以(yi)及被測(cè)流體介(jie)🌈質确🌈定(ding)下來後(hou)，φ、Vf、ρf、ρ、Af、D0、Dh、df以及α這(zhe)些變量(liang)都是已(yi)知量，是(shi)不變的(de).表1、表2,表(biao)3分别給(gei)出了利(lì)用公式(shì)(1)計算的(de)行程爲(wei)45mm,50mm和55mm的情(qíng)況🌈下浮(fu)子高度(du)和流量(liàng)之間的(de)對應關(guān)系，其中(zhong)浮子高(gao)度是浮(fu)子在🙇🏻錐(zhui)管中的(de)垂直位(wei)置.數據(ju)表中🐇的(de)第三列(lie)是🙇🏻利用(yong)公式(3)計(ji)算出來(lái)的相應(yīng)流量點(diǎn)的非線(xiàn)性誤差(chà).
 
2.2理論計(ji)算數據(ju)分析
　　對(duì)2.1節中的(de)理論計(ji)算數據(ju)進行非(fei)線性誤(wu)差分析(xī).
　　如圖3所(suǒ)示,(a)、(b),(c)分别(bie)是行程(cheng)爲45mm,50mm和55mm的(de)浮子流(liu)量計浮(fu)子高度(dù)🛀和💘流量(liang)間對應(yīng)關系曲(qu)線及利(lì)用最小(xiǎo)二乘法(fǎ)拟合的(de)直線.從(cóng)表1.表2，表(biǎo)🌈3中第三(sān)列所示(shi)的非線(xian)性誤差(cha)數據可(ke)以看出(chu)🔞，當利用(yòng)公式(1)進(jin)👈行流量(liang)計算時(shi)在不🛀同(tóng)的流量(liang)點處流(liu)量和浮(fu)子高度(du)之間表(biǎo)㊙️現出了(le)不👉同的(de)非線性(xìng)誤差,流(liú)量和浮(fú)子高度(dù)之✌️間不(bú)是線性(xìng)🛀🏻對應關(guan)系.
 
當浮(fu)子行程(cheng)是45mm(錐半(ban)角φ=21°06')時:最(zuì)大非線(xiàn)性誤差(cha)γmx=15.46%,平均非(fei)線性誤(wu)差γ=6.34%
當浮(fu)子行程(cheng)是50mm(錐半(ban)角中=18°16')時(shi):最大非(fei)線性誤(wu)差Ymax=14.56%,平均(jun1)非線‼️性(xìng)誤差🙇‍♀️γ=5.01%.
當(dang)浮子行(háng)程是55mm(錐(zhuī)半角φ=15°15')時(shí):最大非(fēi)線性誤(wu)差Ymax=6.24%,平均(jun)非線性(xìng)❄️誤差🤞γ=3.61%.
　　對(duì)比三個(gè)不同行(háng)程下最(zuì)大非線(xiàn)性誤差(chà)和平均(jun1)非✌️線性(xìng)誤差的(de)數值可(ke)以看出(chū)，當浮子(zi)行程分(fen)别爲45mm.50mm,55mm,即(jí)相應的(de)錐半角(jiǎo)爲φ=21°06'φ=18°16'中📧=15°15'時(shí)，無✉️論是(shì)非線性(xìng)誤差的(de)最大值(zhí)還是平(ping)均值都(dōu)有很明(míng)顯的😍減(jian)小，尤其(qi)是浮子(zi)流量計(jì)的線性(xing)度即最(zui)大非線(xiàn)性🐆誤差(chà)分别爲(wèi)γmax=15.46%、γ=14.56%,γmax=6.24%，浮子流(liú)🆚量計的(de)線性度(dù)從理論(lun)計算上(shang)有了明(ming)顯的改(gǎi)善.
3浮子(zi)流量計(ji)非線性(xìng)問題的(de)實驗研(yán)究
　　該過(guo)程對如(rú)1.2節所述(shu)的浮子(zi)流量傳(chuan)感器進(jin)行實驗(yan)研究.
3.1實(shi)驗裝置(zhi)
　　實驗裝(zhuang)置如圖(tú)4所示，采(cai)用稱重(zhong)法對金(jin)屬浮子(zi)流量計(jì)進行标(biao)定.實驗(yan)過程如(ru)下所述(shù):
 
　　實驗中(zhōng)所需流(liú)體介質(zhì)來自高(gao)位穩壓(yā)水塔,流(liú)體經過(guo)進☁️水閥(fa)1進入過(guo)濾罐2,3爲(wèi)标準表(biǎo)，可以監(jiān)視管道(dao)中的流(liú)量值,電(diàn)動調節(jiē)閥4起選(xuǎn)通作用(yong),從平衡(héng)罐5流出(chū)的流體(ti)進入金(jin)㊙️屬管浮(fú)子流量(liang)計8,再經(jīng)🆚過流量(liang)調節閥(fa)10從噴嘴(zui)11不斷向(xiang)量㊙️器13中(zhōng)注入，當(dāng)量器13中(zhōng)注滿流(liú)體以後(hòu)換向器(qì)12自動換(huan)向,使得(de)從噴嘴(zuǐ)11流過來(lái)的流體(ti)不再進(jin)入量💚器(qì)13,而是進(jìn)入量器(qi)13右側的(de)回水槽(cao)♉,此時電(diàn)子秤15可(ke)👅以稱出(chū)量器13中(zhōng)❌流體的(de)重量，通(tong)過計算(suàn)機17中的(de)程序顯(xiǎn)示結果(guo)🔴可以看(kan)到流量(liang)值，之後(hou)打開放(fàng)水閥14放(fàng)水，當量(liang)器13中的(de)💰水全部(bu)都放完(wan)時,電子(zi)秤15清零(ling),換向器(qì)12又自動(dòng)換向到(dào)量器13-側(ce),使得流(liú)體不斷(duan)的🌈注入(ru),準備下(xià)🈲一次實(shi)驗.
3.2實驗(yan)數據
　　實(shi)驗過程(chéng)中選取(qǔ)10個流量(liang)點進行(háng)實驗,單(dān)行程每(měi)點重複(fú)🙇🏻測㊙️量3次(ci)🔞,正反行(hang)程各5次(ci).對每個(ge)實驗點(diǎn)處的樣(yang)本取平(ping)均(30次平(ping)均值).實(shi)驗數據(jù)如表4,表(biǎo)5和表6所(suo)示，其中(zhong)标準流(liú)量是實(shi)驗過♈程(cheng)中利用(yong)稱重💜法(fǎ)得到的(de)流量,即(jí)流過金(jīn)屬浮子(zǐ)流量計(ji)的🈲流量(liang),浮子高(gao)度是浮(fú)子在錐(zhuī)管中的(de)垂直位(wèi)置.同樣(yàng)數據表(biǎo)中的第(dì)三列是(shi)利用公(gong)式(3)計算(suàn)出來的(de)非線性(xing)誤差.
 
3.3實(shí)驗數據(jù)分析
　　如(rú)圖5所示(shi)爲根據(ju)實驗過(guo)程中所(suo)得到的(de)标準流(liú)量和浮(fu)子高度(du)之間的(de)對應關(guān)系曲線(xian)及相應(ying)的利用(yòng)最小二(er)乘法得(de)到的拟(ni)合直線(xian).
 
　　下面對(duì)行程分(fen)别是45mm、50mm,55mm的(de)浮子流(liu)量計的(de)非線性(xing)誤差值(zhi)🙇🏻作一下(xià)比較.從(cóng)表4、表5，表(biǎo)6中的非(fei)線性誤(wù)差數據(ju)可以看(kan)💚出，在實(shí)驗過程(cheng)中流量(liàng)和浮子(zǐ)高度之(zhi)間也并(bìng)不是簡(jiǎn)單的一(yī)對應的(de)🔴線性關(guān)系,二者(zhe)之間存(cun)在嚴重(zhong)的非線(xian)性，這也(ye)進一步(bù)證明了(le)在進行(hang)⭐流量計(jì)算時不(bu)能利用(yòng)公式(2)對(dui)流量和(hé)高度之(zhī)間😄的關(guān)系進行(háng)線性化(huà)處理,而(er)應該利(lì)用公式(shì)(1)進行計(ji)算.
當浮(fú)子行程(chéng)是45mm(錐半(ban)角φ=21°06')時:最(zuì)大非線(xian)性誤差(cha)γmax=12.43%，平均非(fei)線性誤(wu)差γ=6.71%.
當浮(fu)子行程(cheng)是50mm(錐半(ban)角中=18°16')時(shí):最大非(fei)線性誤(wù)差γmax=11.45%,平均(jun)非✉️線性(xìng)誤差💯γ=5.08%.
當(dang)浮子行(hang)程是55mm(錐(zhuī)半角φ=15°15')時(shí):最大非(fei)線性誤(wù)差γmx=5.66%,平均(jun1)非線🥰性(xìng)誤差V=3.28%.
　　對(dui)比.上述(shù)兩組最(zuì)大非線(xiàn)性誤差(chà)和平均(jun1)非線性(xing)誤差的(de)🥰數值可(ke)以看出(chū)，當浮子(zi)行程爲(wèi)45mm、50mm,55mm，相應的(de)錐半角(jiao)爲φ=21°06'φ=18°16'φ=15°15'時浮(fu)子流量(liàng)計非線(xiàn)性誤差(cha)的最大(dà)值和平(ping)均值也(ye)都有了(le)很明顯(xian)的減🔅小(xiǎo)，其中浮(fu)子流量(liang)計的線(xian)性度即(jí)最大非(fei)線性誤(wu)差分别(bie)爲🔞γmax=12.43%γmax=11.45%γmax=5.66%,儀表(biao)的線性(xìng)度得到(dao)了很好(hao)的.改善(shan).
4結論
　　本(ben)文針對(dui)浮子流(liú)量計的(de)線性度(du)問題進(jin)行了研(yán)究，文中(zhōng)㊙️給💯出了(le)❓在三種(zhong)行程下(xià)不同的(de)流量點(dian)處的非(fēi)線性誤(wù)差值，并(bing)從理論(lun)和實驗(yan)做了對(duì)比分析(xi).理論分(fen)析和實(shí)驗研究(jiu)表明,在(zai)目前應(ying)用的短(duǎn)管型浮(fu)子🈲流量(liàng)計中流(liu)量和浮(fu)子高度(du)之間不(bu)是一--對(duì)應的線(xian)🌏性關系(xi),因此在(zài)進行流(liú)量計時(shi)不能選(xuan)用公式(shì)(2),而應該(gāi)選擇公(gong)式💚(1).
　　分析(xi)兩個行(háng)程下的(de)浮子流(liu)量計非(fēi)線性誤(wu)差數據(ju)可👈以得(dé)到如下(xià)結論:浮(fú)子的行(hang)程(錐管(guan)的錐角(jiǎo))是影響(xiǎng)浮子流(liú)🐇量計線(xian)性度的(de)一個重(zhong)要因素(su),适當增(zeng)加浮子(zi)的行程(cheng)、減🍓小錐(zhuī)管的錐(zhuī)角，可以(yǐ)使一次(ci)儀表的(de)線性度(du)有很大(dà)的改善(shan)，這對于(yu)浮子流(liu)量傳感(gan)器結構(gòu)的設計(jì)與優化(hua)具有重(zhong)要的指(zhi)導意義(yi).

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