金属管浮子流量计的介绍、发展、分类及应用

　　1、浮子流量传感器的介绍

　　金属管浮子流量计（又称金属管转子流量计，变截面积式流量计），具有非常悠久的历史，是以浮子在垂直锥型管内随流量变化而升降，从而改变它们之间的环隙面积的流量仪表。浮子流量计非常早的文字记录可追溯到 1868 年艾德蒙德奥古斯丁卡麦罗伊（Edmond Augustin Chame- noy）在美国的专利登记。1910 年，罗达沃克（Rotarywork）公司，开始利用这种原理制造销售流量测量产品，在转子上开有螺旋沟槽，进行流量测量时转子绕中心轴作旋转，使其保持在锥管的中央，这也是金属管转子流量计这一名称的由来。

　　1.1 浮子流量计的分类及应用

　　浮子流量计应用广泛，种类繁多，按照其制造材料可分为三种：玻璃管浮子流量计、塑料管浮子流量计和金属管浮子流量计[3,4]。由于制作材质不同，浮子流量计的功能特点差异很大，因而应用领域也不尽相同。

　　玻璃管浮子流量计

　　要求被测介质透明且不粘附于表面。主要特点为成本低，易于安装和维护，浮子位置清晰可见，可以直接观测流体流量大小。测量中不需要电源，为纯机械操作，经常用来测量液体、气体。但是玻璃管浮子流量计只适用于现场指示，未能实现信号远传，且制造材料的强度限制，只能测量常温、常压、透明介质。

　　塑料管浮子流量计

　　要求被测介质透明且不粘附于表面。主要特点为性价比较高，安装维护方便，由于是塑料材质，可用来测量超纯水，但是由于塑料的材料属性，塑料管浮子流量计只适用于测量液体。

　　金属管浮子流量计

　　金属管浮子流量计不仅能用于透平、干净的介质测量，还适用于不透明、比较干净的介质，甚至可以选用某些浮子流量计测量或控制不干净液体的流量。由于金属管浮子流量计的制造材料为金属，强度高，耐腐蚀性好，因此可用于测量高温、高压及腐蚀性流体介质，但由于金属的导磁性及浮子流量计工作原理特点，它不适宜测量含磁性的介质。金属管浮子流量计按照其传输信号方式又分为远传式和就地指示型两种。

　　随着科技的进步，由于浮子流量计的量程、稳定性和可靠性都得到了很大发展，浮子流量计本身适应低雷诺数测量，符合工业要求，因而被大量应用于流程工业领域，起着极为重要的作用。流程工业生产的工作环境苛刻，仪表常常工作于高温、高压、低温、易燃或有毒的环境下，玻璃管浮子流量计与塑料管浮子流量计均无法适应如此复杂的工作环境，而金属管浮子流量计由于其本身材质为金属，能够耐高温、高压和腐蚀性，因而得到更广泛的应用。

　　本文中所研究的孔板浮子流量传感器是金属管浮子流量计的一种。

　　1.1.2 金属管浮子流量计的发展

　　随着科学技术的发展，为金属管浮子流量计的发展提供有力的支援，使得金属管浮子流量计在电远传、现场指示、测量精度、量程范围等方面都取得很大进步。浮子位置的测量方法也由单纯的机械式发展到机械式、电子式等多种测量方法。机械式在原来的基础上加入了转角变送器，输出的是差压信号，提高了测量精度。电子式的金属管浮子流量计则是通过微处理器进行信号采集、转换和输出显示。随着加工工艺的发展与新型材料的研发，金属管浮子流量计的非常大可耐压到达 100MPa，非常高耐温 300℃，金属管浮子流量计的具有了更广阔的前景，更庞大的市场。

　　目前，生产金属管浮子流量计的国外厂家主要有美国的 King 仪表公司、英国的 Platon 仪表公司、德国的 Krohne 公司、日本的东京计装公司以及俄罗斯的厂家等。Krohne 公司生产的浮子流量计是在单纯机械式的基础上是装有转角变送器，输出差压信号，是新型金属管浮子流量计。英国 Platon 仪表公司的 C2076金属管浮子流量计采用了固态传感器，是可实现信号的电远传和流量累计的电子式金属管浮子流量计。

　　相比国外，我国国内的金属管浮子流量计起步较晚，但发展较为迅速。20 世纪中期，我国上海某厂产出带输出信号的金属管浮子流量计[6-9]。70 年代，我国制定浮子流量计的行业规范，以使浮子流量计生产规范化。在国内学者和技术人员的努力下，金属管浮子流量计有了较为成熟的、以机械式为主的产品。但与国外产品相比，国内的金属管浮子流量计仍然生产水平仍然较低，在行业标准、技术研发、制造工艺、加工效率等方面，落后于国外先进产品。

　　1.3 基于 CFD 方法的浮子流量计内部流场计算目前，为了降低能耗，提高效益，工业界对流量传感器的测量范围和精度等级的要求日益提高。然而，传统的产品优化上主要是依靠设计者的经验以及实流实验进行验证分析，该方法成本高、周期长。因而，在浮子流量传感器设计中，引入了计算流体动力学（computational fluid dynamics, CFD）。利用 CFD 方法对浮子流量传感器内部流场进行，数值模拟，不仅能通过实验和仿真结果进行分析评价浮子结构设计，而且还可以分析得到的微观流场的速度分布、流动分离以及压力分布等多方面的数据，成本低、周期短、提供信息详实[10-14]。

　　德国学者 Bueckle.U  和 Durst.F[15,16]首次将 CFD  方法引入浮子流量传感器研究之中，证明了 CFD 计算与 LDA 实验测试结果具有很好的一致性，同时分析了数值计算和实验数据之间有差异的原因。经过他们的研究实验证明，计算流体力学方法可以用于分析浮子流量传感器的内部微观流场以及受力，在此基础上，越来越多的科学家将 CFD 方法作为进行科学研究的重要手段。

　　徐英采用计算流体力学(CFD)方法，使用标准 K-模型为计算模型，对浮子流量计的仿真模型进行了深入、细致的分析，利用浮子受力平衡度误差分析法控制计算精度，详细、科学的研究了浮子流量计的内部受力及流量值等微观信息。

　　叶佳敏[20,21]等对水平式以及竖直式安装金属管浮子流量计三维流场进行了仿真研究，并通过将仿真结果与物理实验结果比对，验证和修改初样设计。

　　苏锋[22]对测量低粘度流体介质金属管浮子流量计进行了仿真研究，分析了浮子受力，并且计算得到浮子受力平衡下的流量，通过将仿真数值与物理实验比对，证明该仿真模型满足金属管浮子流量计设计的需要。

　　葛利俊[23]等设计了安放在流量计内部的列状整流器，比较分析了安装不同整流器的内部流场变化和仿真结果，同时评估了整流器的整流效果。

　　朴立华[24,25]利用 CFD 方法实现大口径锥管浮子流量传感的结构设计与优化，并在利用实验与仿真结合的情况下，提出了双锥型孔板浮子流量传感器设计，大大提高了孔板浮子流量传感器的线性度，改善压损情况。