摘要:浮子(zi)流量傳感(gan)器 中存在(zai)的非線性(xing)問題是影(ying)響浮子流(liu)量計測量(liang)精度的一(yi)個重要因(yin)素，爲了解(jie)決這個問(wen)題,浮子流(liu)量傳感器(qi)的特性，利(li)用最小二(er)乘法拟合(he)數據，分析(xi)浮子高度(du)💁和流量之(zhi)間的非線(xian)性關系理(li)論和實驗(yan)研🈲究結果(guo)表明，針對(dui)目前應用(yong)的短管型(xing)浮子流量(liang)計💰流量和(he)浮子高度(du)之間存在(zai)明顯的非(fei)線性關系(xi),并且發現(xian)在其他條(tiao)件相同的(de)情況下浮(fu)子行程的(de)增加即錐(zhui)管錐角的(de)減小對浮(fu)子流量傳(chuan)感器線性(xing)度的改善(shan)具有重要(yao)的作用.
　　浮(fu)子流量計(ji) 又名 轉子(zi)流量計 或(huo)面積流量(liang)計.在測量(liang)過程中，始(shi)終保持節(jie)流件前後(hou)的壓差不(bu)😍變，通過改(gai)變流通面(mian)積來改變(bian)流量，,所以(yi)浮子流㊙️量(liang)計也叫🏃恒(heng)壓降變截(jie)面流量計(ji).浮子流量(liang)計的量程(cheng)比🌈一般可(ke)達10:1,精度約(yue)爲±(1~2)%.由于浮(fu)子流量💘計(ji)具有結構(gou)簡單、使用(yong)方便、直觀(guan)、壓損小💞、成(cheng)本低等特(te)點，已被廣(guang)泛應用于(yu)實驗室及(ji)生産🤩領域(yu)".浮子流量(liang)計在測量(liang)過程中流(liu)量和浮🔞子(zi)高度之間(jian)存在非線(xian)性關系,影(ying)響了測量(liang)精🌂度和浮(fu)子流量計(ji)的性能，這(zhe)個問題在(zai)目前廣泛(fan)應用的 短(duan)管型浮子(zi)流量計 中(zhong)尤爲明顯(xian),必須尋求(qiu)有效的方(fang)法來解決(jue).
 
　　Qv爲浮子流(liu)量計的體(ti)積流量,α爲(wei)流量系數(shu);h爲浮子在(zai)錐管中的(de)垂直位置(zhi);爲錐形管(guan)錐半角;Vf爲(wei)浮子體積(ji);ρf爲浮😍子材(cai)料密度ρ爲(wei)流體密度(du);Af爲浮子垂(chui)直于流向(xiang)💋的最大截(jie)面積💚;D0爲浮(fu)子最大迎(ying)流面的直(zhi)徑;Dh爲浮子(zi)平衡在h高(gao)度時錐形(xing)㊙️管的直徑(jing)♌;df爲浮子最(zui)大直徑(見(jian)圖1).
 
　　公式(1)是(shi)習用的浮(fu)子流量計(ji)流量計量(liang)公式,一般(ban)認爲在錐(zhui)半🐆角中足(zu)夠小的情(qing)況下可以(yi)忽略二次(ci)項(htanφ),公式(1)可(ke)寫爲如下(xia)形式:
 
　　公式(shi)(2)中Vf、Af、ρf、ρ、α、q、D0及φ都是(shi)确定數值(zhi),故公式(2)中(zhong)流量Qv與浮(fu)子行程h具(ju)有線性關(guan)系.
1.2研究對(dui)象
　　目前流(liu)行的短管(guan)型浮子流(liu)量計其高(gao)度統一爲(wei):250mm，爲了和其(qi)他部件相(xiang)配合,浮子(zi)在管體内(nei)能移動的(de)最📱大位移(yi)爲59mm，在本文(wen)中🏒選擇浮(fu)子行程分(fen)别爲45mm(錐半(ban)角φ=21°06'),50mm(錐半角(jiao)φ=18°16')和55mm(錐半角(jiao)φ=15°15')的DN80金屬管(guan)浮子流量(liang)傳感器 進(jin)行線性度(du)的研究，其(qi)流量測量(liang)範圍爲4~40m'/h,測(ce)量介質爲(wei)水，對應流(liu)量下限時(shi)的最低雷(lei)諾數爲14685.浮(fu)子流量傳(chuan)感器的結(jie)構如圖2所(suo)示.
 
1.3非線性(xing)誤差計算(suan)公式
　　随着(zhe)現代技術(shu)的發展，進(jin)行測量的(de)非線性計(ji)算已非難(nan)事.目㊙️前，國(guo)内外金屬(shu)管浮子流(liu)量計采用(yong)的線性化(hua)技術主要(yao)🆚有兩🧑🏽‍🤝‍🧑🏻種:-是(shi)應用四連(lian)杆進行非(fei)線性修正(zheng);二是利用(yong)🍓凸輪進行(hang)非線⚽性修(xiu)正.另外，還(hai)出現了帶(dai)微處理器(qi)的智能流(liu)量計，采用(yong)物位傳感(gan)器檢測浮(fu)子位移，由(you)微處理器(qi)通過軟件(jian)進行線性(xing)化，從而使(shi)儀表結💃🏻構(gou)🔱更簡化，精(jing)度更高'".故(gu)當前流行(hang)的金屬管(guan)浮子流量(liang)計一般均(jun)采用250mm的儀(yi)表總長度(du),如圖2所示(shi),不僅可以(yi)節約😘原材(cai)料,加工制(zhi)造簡單,而(er)且體積小(xiao),重量輕，安(an)裝使用方(fang)便.但🌈是爲(wei)了達到更(geng)好的🧡流量(liang)測量效果(guo)，還是應該(gai)采用盡可(ke)能長的錐(zhui)管,增🐆加浮(fu)子的行程(cheng),使儀表一(yi)次✔️測量的(de)非線性盡(jin)可能減小(xiao)✌️
　　計算儀表(biao)一次測量(liang)的非線性(xing)誤差時利(li)用最小二(er)乘法來拟(ni)合直線,非(fei)線性誤差(cha)γ計算公式(shi)'"]:
 
　　其中:△Qv爲輸(shu)出平均值(zhi)與基準拟(ni)合直線間(jian)的偏差,QVFS爲(wei)滿量程輸(shu)出平均值(zhi),k爲拟合直(zhi)線的斜率(lü),xn爲被測物(wu)理量的第(di)n個值,x1爲被(bei)測物理量(liang)的第1個值(zhi).
2浮子流量(liang)計非線性(xing)問題的理(li)論分析
2.1理(li)論計算數(shu)據.
　　爲了研(yan)究浮子流(liu)量計的非(fei)線性問題(ti),本文利用(yong)公✉️式(1)針對(dui)浮子⁉️在錐(zhui)管中的垂(chui)直位置和(he)流量的對(dui)應🌂關系給(gei)出🌂了三☀️組(zu)理論計算(suan)數據.
　　在公(gong)式(1)中，當流(liu)量傳感器(qi)的結構以(yi)及被測流(liu)體介質确(que)✌️定下來❌後(hou)，φ、Vf、ρf、ρ、Af、D0、Dh、df以及α這些(xie)變量都是(shi)已知量，是(shi)不變的.表(biao)1、表2,表3分别(bie)給出🛀🏻了利(li)🥵用公式(1)計(ji)算的行程(cheng)爲45mm,50mm和☔55mm的情(qing)況下浮子(zi)高度和☀️流(liu)量之間的(de)對應關系(xi)，其中浮子(zi)高度是浮(fu)子在錐管(guan)中的🔞垂直(zhi)位置.數據(ju)表中的第(di)三列是利(li)用公式(3)計(ji)😄算出來的(de)相應流量(liang)點的非線(xian)性誤差.
 
2.2理(li)論計算數(shu)據分析
　　對(dui)2.1節中的理(li)論計算數(shu)據進行非(fei)線性誤差(cha)分析.
　　如圖(tu)3所示,(a)、(b),(c)分别(bie)是行程爲(wei)45mm,50mm和55mm的浮子(zi)流量計浮(fu)子高度和(he)♋流量🛀🏻間對(dui)應關系曲(qu)線及利用(yong)最小二乘(cheng)法拟✉️合的(de)直線.從表(biao)1.表2，表3中第(di)三列所示(shi)的非線性(xing)誤差數據(ju)可以看出(chu)，當利用公(gong)式(1)進💜行流(liu)量計算時(shi)在不同的(de)流量點處(chu)流量和浮(fu)子高度之(zhi)間表現出(chu)了不同的(de)非線性誤(wu)差,流量和(he)浮子高度(du)之🔞間不是(shi)線性對應(ying)關系.
 
當浮(fu)子行程是(shi)45mm(錐半角φ=21°06')時(shi):最大非線(xian)性誤差γmx=15.46%,平(ping)均非線🏒性(xing)誤差γ=6.34%
當浮(fu)子行程是(shi)50mm(錐半角中(zhong)=18°16')時:最大非(fei)線性誤差(cha)Ymax=14.56%,平均非線(xian)性🚩誤差γ=5.01%.
當(dang)浮子行程(cheng)是55mm(錐半角(jiao)φ=15°15')時:最大非(fei)線性誤差(cha)Ymax=6.24%,平均非線(xian)🚩性📱誤差γ=3.61%.
　　對(dui)比三個不(bu)同行程下(xia)最大非線(xian)性誤差和(he)平均非線(xian)性誤差的(de)數值可以(yi)看出，當浮(fu)子行程分(fen)别爲45mm.50mm,55mm,即相(xiang)應的錐半(ban)角爲φ=21°06'φ=18°16'中=15°15'時(shi)，無論是非(fei)線性誤差(cha)的最大值(zhi)還是平均(jun)值都有很(hen)明顯的🛀🏻減(jian)小，尤其是(shi)浮子流量(liang)計的線性(xing)度即最大(da)非線性♈誤(wu)差分别爲(wei)γmax=15.46%、γ=14.56%,γmax=6.24%，浮子流量(liang)計的線性(xing)度從理論(lun)計算上有(you)了明🧑🏾‍🤝‍🧑🏼顯的(de)改善.
3浮子(zi)流量計非(fei)線性問題(ti)的實驗研(yan)究
　　該過程(cheng)對如1.2節所(suo)述的浮子(zi)流量傳感(gan)器進行實(shi)驗研究.
3.1實(shi)驗裝置
　　實(shi)驗裝置如(ru)圖4所示，采(cai)用稱重法(fa)對金屬浮(fu)子流量計(ji)進⛷️行标定(ding).實驗過程(cheng)如下所述(shu):
 
　　實驗中所(suo)需流體介(jie)質來自高(gao)位穩壓水(shui)塔,流體經(jing)過進水閥(fa)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻1進🧡入過濾(lü)罐2,3爲标準(zhun)表，可以監(jian)視管道中(zhong)的流🔱量值(zhi),電動🧡調節(jie)閥4起選通(tong)作用,從平(ping)衡罐5流出(chu)的流體🔆進(jin)入金屬管(guan)浮😘子流量(liang)計8,再經過(guo)流量調節(jie)閥10從噴嘴(zui)🍓11不斷向量(liang)器13中注入(ru)，當量器13中(zhong)注滿流體(ti)🌈以後換向(xiang)器12自動換(huan)向,使得從(cong)噴嘴11流過(guo)來的流體(ti)不再進入(ru)量器13,而是(shi)進入量器(qi)🐕13右側的回(hui)水槽,此時(shi)電子秤15可(ke)以稱出😍量(liang)器13中流體(ti)的重量，通(tong)過計算機(ji)17中的程序(xu)顯示結果(guo)可以看到(dao)流量值🈲，之(zhi)後打開放(fang)水閥14放水(shui)，當量器13中(zhong)的水全部(bu)都放完時(shi),電子🐉秤15清(qing)零,換向器(qi)12又自動換(huan)向到量器(qi)13-側,使得流(liu)體不斷的(de)♍注入,準備(bei)下一次實(shi)驗.
3.2實驗數(shu)據
　　實驗過(guo)程中選取(qu)10個流量點(dian)進行實驗(yan),單行程每(mei)點重複測(ce)量♋3次,正反(fan)行程各5次(ci).對每個實(shi)驗點處的(de)樣本取平(ping)均(30次平均(jun)值).實驗數(shu)據如表4,表(biao)5和表6所示(shi)，其中标準(zhun)流量是實(shi)驗過程中(zhong)利用稱重(zhong)法得到的(de)流量,即流(liu)過金屬浮(fu)子流量計(ji)的流量,浮(fu)子高度是(shi)浮子在錐(zhui)管中的垂(chui)直位置🛀🏻.同(tong)樣數據表(biao)中的第三(san)列是利用(yong)公式(3)計算(suan)出來的非(fei)線性誤差(cha).
 
3.3實驗數據(ju)分析
　　如圖(tu)5所示爲根(gen)據實驗過(guo)程中所得(de)到的标準(zhun)流量和浮(fu)子高度😍之(zhi)間的對應(ying)關系曲線(xian)及相應的(de)利用最小(xiao)二乘法得(de)到的🏃‍♀️拟合(he)直線.
 
　　下面(mian)對行程分(fen)别是45mm、50mm,55mm的浮(fu)子流量計(ji)的非線性(xing)誤差值作(zuo)一下比較(jiao).從表4、表5，表(biao)6中的非線(xian)性誤差數(shu)據可以看(kan)出，在實驗(yan)過程中流(liu)🌐量和浮子(zi)高度之間(jian)也并不是(shi)簡單的一(yi)對應的線(xian)性關系,二(er)者之間存(cun)在嚴重的(de)非線性，這(zhe)也進一步(bu)證明了在(zai)進行流量(liang)計算🏒時不(bu)能利用公(gong)式(2)對流量(liang)和高度之(zhi)間🏃🏻‍♂️的關系(xi)進行線性(xing)化處理,而(er)應該利用(yong)公式🛀(1)進行(hang)計算.
當浮(fu)子行程是(shi)45mm(錐半角φ=21°06')時(shi):最大非線(xian)性誤差γmax=12.43%，平(ping)均非線性(xing)🏃‍♀️誤差γ=6.71%.
當浮(fu)子行程是(shi)50mm(錐半角中(zhong)=18°16')時:最大非(fei)線性誤差(cha)γmax=11.45%,平均非線(xian)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻性誤差γ=5.08%.
當(dang)浮子行程(cheng)是55mm(錐半角(jiao)φ=15°15')時:最大非(fei)線性誤差(cha)γmx=5.66%,平均非線(xian)性誤差V=3.28%.
　　對(dui)比.上述兩(liang)組最大非(fei)線性誤差(cha)和平均非(fei)線性誤差(cha)💔的🏒數值可(ke)以看出，當(dang)浮子行程(cheng)爲45mm、50mm,55mm，相應的(de)錐半角爲(wei)φ=21°06'φ=18°16'φ=15°15'時浮子流(liu)量計非♻️線(xian)性❗誤差的(de)最大值和(he)平均值也(ye)都有了很(hen)明顯的減(jian)💜小，其中㊙️浮(fu)子流量計(ji)的線性度(du)即最大非(fei)線性誤差(cha)分别爲γmax=12.43%γmax=11.45%γmax=5.66%,儀(yi)表的線性(xing)度得到了(le)很好的.改(gai)⭐善.
4結論
　　本(ben)文針對浮(fu)子流量計(ji)的線性度(du)問題進行(hang)了研究，文(wen)中🙇‍♀️給出了(le)在三種行(hang)程下不同(tong)的流量點(dian)處的非🌂線(xian)性誤差🆚值(zhi)，并從理🔞論(lun)和實驗做(zuo)了對比分(fen)析.理論分(fen)析和實驗(yan)研究表明(ming),在目前應(ying)用的短管(guan)型浮子流(liu)量計中👄流(liu)量和浮子(zi)高度之☁️間(jian)不是一🍓--對(dui)應的線性(xing)關系,因此(ci)在進行流(liu)量計時不(bu)能選🐅用公(gong)式(2),而應🏃🏻該(gai)選擇公式(shi)(1).
　　分析兩個(ge)行程下的(de)浮子流量(liang)計非線性(xing)誤差數據(ju)可🔱以得到(dao)如下結論(lun):浮子的行(hang)程(錐管的(de)錐角)是影(ying)響浮子流(liu)💋量計線性(xing)度的一個(ge)重要因素(su),适當增加(jia)浮子的👌行(hang)程、減小錐(zhui)管的錐角(jiao)，可以使一(yi)次儀表的(de)線性度有(you)很大的改(gai)善，這對于(yu)浮子流量(liang)傳感器結(jie)構的設計(ji)與優化具(ju)有重要的(de)指導意義(yi).

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