[摘要]针对现有浮子流量计流量输出分布不均匀的问题，通过浮子流量计的流量理论计算公式，分析出锥形浮子半径和流量值是非线性关系。理论上，当锥形浮子外形为抛物线时，流量输出分布可以达到绝对均匀，但考虑到可加工性，将抛物线近似为圆弧形，因此将现有直面锥形浮子改为圆弧面锥形浮子。因流量理论计算公式存在一定的误差，故再结合现有直面锥形浮子流量计的试验标定数据，确定圆弧面锥形浮子的尺寸。通过流量标定装置进行实流试验，最终验证改进后的圆弧面锥形浮子流量输出的分布均匀性明显好于改进前的直面锥形浮子，提高了产品测量精度，刻度盘的视觉效果也明显提高。
0引言
浮子流量计是一种面积变化式流量计，具有工作稳定可靠、量程比宽、可测低流速介质等优点，广泛应用于液体、气体及蒸汽介质的流量测量。浮子流量计根据工作原理分为两种结构形式:一种是锥形管式，即流量检测机构是由一个自下而上的垂直锥形管和一个沿着锥管轴线上下移动的直浮子组成;另一种是孔板式，在一直管中内嵌孔板，锥形浮子沿直管轴线在其中上下移动;零件结构由锥形管式锥管的内锥改为浮子的外锥，便于机械加工。基于孔板式浮子流量计结构形式进行改进分析。
根据孔板式浮子流量计的工作原理可知，当直管和孔板内径尺寸固定时，流量输出主要与锥形浮子有关。目前市面上使用的锥形浮子大多为直锥面，流量输出分布不均匀，流量值分布情况直观地体现在就地指针式的刻度盘上，具体的分布特征为前40%流量跨度比较大，分布比较疏散，后40%流量跨度小，分布比较集中，影响产品测量精度，视觉效果不理想。因此，很有必要对锥形浮子进行进一步的分析改进，以流量理论计算公式为依据，理论上分析当流量输出分布绝对均匀时锥形浮子的锥面形状，再结合流量标定试验进行验证。
1理论分析
孔板式浮子流量计的工作原理如图1所示,流体自下而上流经孔板与锥形浮子形成环形流通面积时，因流体被节流，锥形浮子上下游两端产生压差，锥形浮子受此压差影响形成一上升力。当上升力大于浸在流体中锥形浮子重量时，锥形浮子就会上升，此时环形流通面积随之增大，流体流速随之下降，锥形浮子上下两端压差降低，上升力也随之减小，当锥形浮子受到的作用力达到平衡时，便会稳定在某一高度。由锥形浮子上升高度确定的环形流通面积与流量成正比，因此检测此位置就可以求得流量。
式中:QV为体积流量，α为流出系数，A为环形流通面积，g为重力加速度，Vƒ为浮子体积，ρ为流体密度，ρƒ为浮子密度，Aƒ为浮子最大迎流面积。
浮子流量计指示器部分主要分为指针指示型和液晶数显型。指针指示型中的刻度盘可以直观显示出流量输出的分布情况，以指针指示型为分析研究对象。由工作原理可知，当流量显示输出为绝对均匀分布时，浮子上升高度也是绝对均匀的，利用上述理论计算公式，分析此时锥形浮子的锥面形状。
根据改进前已有的流量选型表，各流量段有对应的浮子号即浮子尺寸己知，浮子材质选用不锈钢316L，测量介质为水，因此公式中的浮子密度、浮子体积、流体密度和浮子最大迎流面积为已知量，流出系数为常数，将这些量合并为一
个固定的数值K，即简化后的公式为:
Qv=KA(2)
由简化后的公式(2)可知，流量与环形流通面积之间为一一对应的线性关系。环形流通面积是由孔板内径和锥形浮子外径形成，孔板内径为已知固定值，变化的环形流通面积主要通过锥形浮子控制，锥浮子外径是变量，即
A=πR2-πr2(3)
式中:R为孔板内径，r为锥浮子外径。
把公式(3)带人公式(2)中:
Qv=KπR2-Kπr2(4)
令KπR2=α,Kπ=b，公式化简为:
Qv=a-br2(5)
此公式为抛物线曲线。通过.上述的推导，分析出当流量显示输出为绝对均匀时，锥形浮子的锥面形状应为抛物线。
2对锥形浮子进行改进分析
理论上，若锥形浮子的锥面加工成抛物线形状就可以实现流量绝对均匀输出，但是在实际加工生产中，抛物线不易加工;同时，流量计量程.按照用户的需求，不同的量程值对应不同的抛物线形状，无法实际批量生产，影响生产效率。因此，对锥形浮子改进要均衡加工性和生产效率，最终确认改进的方向是使流量输出分布尽量趋于均匀，提高测量精度和刻度盘分布视觉效果。
由于圆弧面易于加工，只需要普通的数控机床即可，因此，将锥形浮子锥面形状由抛物线近似设计为圆弧面。因流量理论计算公式存在一定的误差图，得出的结论只能作为参考,需要再结合改进前的试验标定数据确定圆弧锥形浮子的尺寸。
以口径DN25，流量2500L/h的孔板式浮子流量计为例，进行具体的改进过程分析。改进前的锥形浮子是直锥面，试验标定数据取0、10%、20%、30%、4.0.....11个流量点数据19,结果如表1所示，刻度差值是指相邻流量点的刻度差。
表1直面锥形浮子的试验标定结果
| 流量点/% |
0 |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
对应标准盘位置/% |
0 |
14 |
28 |
40 |
52 |
62 |
70 |
76 |
82 |
86 |
90 |
刻度差值 |
|
14 |
14 |
12 |
12 |
10 |
8 |
6 |
6 |
4 |
4 |
将标定结果数据制作成刻度盘，如图2b所示，刻度中长线对应的是11个流量点，与图2a所示的标准刻度盘进行对比可知，前40%流量跨度比较大，分布比较疏散，后40%流量跨度小，分布比较集中，视觉效果差。同时测量精度也差，例如90%到100%只有两个刻度格，因流量变化点相距太近，可能93%到97%范围间的流量都指示在95%的位置。其他口径和流量段的分布情况均类似。
由表1数据可知，流量点50%处，对应标准刻度盘的位置为62%，说明锥形浮子上升到总行程的62%，即62%总行程处的浮子外径与孔板内径形成的环形流通面积才能测出50%的流量。理想状态下应该是锥形浮子上升到总行程的50%,即50%总行程处的浮子外径与孔板内径形成的环形流通面积就可以测出50%的流量，因此需将62%处的浮子外径移动到50%处，如图3所示,即将c点移动到d点，由a、b、d三点确认圆弧。由表1数据可知，流量点10%~80%位置点均同50%处一样偏高，通过新确认的圆弧，可将10%~80%位置点均向下进行调整，即对应图3所有的半径点均上移。图2中前40%的流量跨度大，说明倾斜角a较小，新确认的圆弧增加了倾斜角a的角度值;后40%的流量跨度小，说明倾斜角β较大，新确认的圆弧降低了倾斜角β的角度值。
通过上述方法，可将直面锥形浮子改进为圆弧面锥形浮子。
3试验验证
通过流量标定装置，对改进后的圆弧锥形浮子进行实流标定试验，试验标定数据取0~100%11个流量点数据,结果如表2所示。当理想状态分布完全均匀时，各10%的刻度差值应该是一致的。对比改进前和改进后的试验数据，改进前各10%的刻度差值最大为14、最小为4，相差10;改进后差值最大为12、最小为8，相差4;由10降为4，整体的分布均匀性得到明显提高。同时,刻度差最小4增加为最小8，流量变化点间距加大，测量精度明显可以提高。
将标定结果数据制作成刻度盘，如图4b所示，与图2b改进前的刻度盘进行对比，分布均匀性明显提高，不再有前段疏散后段集中的现象,整体分布趋于均匀，视觉效果较好，趋近于标准刻度盘呈现的分布效果。
| 流量点/% |
0 |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
对应标准盘位置/% |
0 |
12 |
24 |
34 |
44 |
54 |
62 |
72 |
80 |
88 |
98 |
刻度差值 |
|
12 |
12 |
10 |
10 |
10 |
8 |
10 |
8 |
8 |
10 |
按照上述改进过程，改进各个口径和流量段的锥形浮子。对不同的管道口径和流量范围，给出不同的浮子尺寸，通过实流标定验证和分析,最终得出对应的浮子尺寸。以DN20口径的流量计为例，可测的满量程区间在650~2000L/h(20%C水)之间，最终确认5种浮子尺寸涵盖整个流量范围。比如1号浮子对应的满量程范围是650~800L/h，当客户要求流量计量程在这个区间内，就选择1号浮子;以此类推在分段流量值范围，内均可选择到适合的浮子型号。
4结束语
通过理论分析和改进前标定数据相结合，将直面锥形浮子改为圆弧面，该改进方案均衡了可加工性、加工效率和分布均匀性。最终通过流量标定装置进行试验验证，证明改进后的圆弧面锥形浮子流量输出的分布均匀性明显好于改进前的直面锥形浮子，提高了产品测量精度，并提高了指针式刻度盘的视觉效果。
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