阅读说明：本技术 浮子质量流量计及计量方法 (Float mass flowmeter and metering method ) 是由 陈平 赵敉悦 陈明杰 于 2020-06-28 设计创作，主要内容包括：本发明属于仪器仪表、计量测量技术领域,尤其涉及一种浮子质量流量计及计量方法。本发明包括流量计管路和分别连接在流量计管路的上端口和下端口处的上法兰和下法兰,在流量计管路中设置有浮子,所述浮子设置在连接在流量计管路内的浮子档环上,仪表和线圈连接在流量计管路的外部。当流量不同时浮子的位置也发生变化,通过浮子流量计测量浮子的位置算出流量,实现高精度智能化处理,具备存储数据、查询数据等功能。本发明应用广泛,适合测量各种介质,不受外界温度的影响,具备产品结构简单、设计合理,使用方便、成本低、精确度高、具备数据远传功能的显著特点。其适用范围广、应用前景十分可观,具备较好的经济效益和社会效应。(The invention belongs to the technical field of instruments and meters and metering measurement, and particularly relates to a floater mass flowmeter and a metering method. The invention comprises a flowmeter pipeline, an upper flange and a lower flange which are respectively connected with an upper port and a lower port of the flowmeter pipeline, wherein a floater is arranged in the flowmeter pipeline and arranged on a floater blocking ring connected in the flowmeter pipeline, and an instrument and a coil are connected outside the flowmeter pipeline. When the flow is different, the position of the floater changes, the flow is calculated by measuring the position of the floater through the floater flow meter, high-precision intelligent processing is realized, and the intelligent flow meter has the functions of storing data, inquiring data and the like. The invention has wide application, is suitable for measuring various media, is not influenced by the external temperature, and has the remarkable characteristics of simple product structure, reasonable design, convenient use, low cost, high accuracy and data remote transmission function. The method has wide application range and very considerable application prospect, and has better economic benefit and social effect.)

浮子质量流量计及计量方法

技术领域

本发明属于仪器仪表、计量测量技术领域，尤其涉及一种浮子质量流量计及计量方法。

技术背景

在科学技术飞速发展的时代，智能化仪表的需求越来越明显地显现出来，并且逐步替代了精度较低的老式仪表。尤其在流量计量领域，金属转子流量计的结构及算法制约了其精度的提高，金属转子流量计或没有远传功能，满足不了用户的需要，也制约了该仪表的发展。质量流量计虽然具备一定的测量精度，但因高成本，因此也制约了其发展和市场前景。其他流量计也存在对介质要求苛刻、精度低、稳定性差等这样或那样的缺陷或遗憾。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷与改进需求，本发明提出了一种浮子质量流量计及计量方法。其目的是为了提供一种具备浮子流量计的价格低、成本低，并且集适用性广和质量流量计的精度高的优点于一身的一种浮子质量流量计及计量方法。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

浮子质量流量计，包括流量计管路和分别连接在流量计管路的上端口和下端口处的上法兰和下法兰；在流量计管路中设置有浮子，所述浮子设置在连接在流量计管路内的浮子档环上，仪表和线圈连接在流量计管路的外部。

所述固定支架连装在流量计管路上，线圈通过固定支架连接在流量计管路上；所述仪表通过连接螺丝连接在固定支架上。

所述浮子档环是开口膨胀环，靠膨胀力安装在流量计管路中的下方。

所述所述管路的内壁为椎型体，上部的直径大于下部的直径。

所述仪表中的显示板连接在主板CPU的输入输出端口，信号输出的输入端连接主板CPU的输出端口，信号输出的输出端连接到用户设备上；所述脉冲输出的输出端与线圈相连，脉冲输出的输入端与主板CPU的微处理器的输出端相连接，采样模块的输入端与线圈相连接，采样模块的输出端与主板CPU的输入端相连接。

所述线圈连接到脉冲输出上，主板CPU向线圈发送一给定脉宽的脉冲，发送完成后，将线圈的连接端通过主板CPU的控制而切换到连接采样模块上，供主板CPU采样分析；主板CPU最终将分析结果输送到显示板上，通过显示板显示流量计的相关内容，再通过主板CPU把流量计的相关内传送到信号输出上供用户使用。

浮子质量流量计的计量方法，包括以下步骤：

步骤1.频域分析；

步骤2.时域分析；

步骤3.质量与频率分析。

所述频域分析，当对应较大流量的计算，线圈接收脉冲输出发来的脉冲而产生电磁场，当线圈发送一定宽度的脉冲时，受电磁场力的作用，在不同流量或流速的情况下，使得浮子在流量计管路中所处的位置也产生变化下沉；脉冲结束后浮子在恢复力的作用下回到原来平衡位置，浮子恢复的过程中线圈感应磁浮子而产生电磁感应电流，提供给采样模块，经过放大整型后送主板进行数据处理；

由于流量计管路中的流量较大使得浮子与线圈的距离较小，在线圈中脉冲产生的磁场力作用下使得浮子在平衡位置大流量液位面向浮子受力下沉位置的移动距离就比较大，当线圈中脉冲结束时，浮子从浮子受力下沉位置上浮动到平衡位置大流量液位面的移动时间较长；

由于流量计管路中的流量比较小使得浮子与线圈的距离较大，在线圈中脉冲产生的磁场力作用下使得浮子在平衡位置小流量液位面向浮子受力下沉位置的移动距离较小；当线圈中脉冲结束时，浮子从浮子受力下沉位置上浮动到平衡位置小流量液位面的移动时间较短；

在线圈中给出一定脉宽的脉冲时由于流量的不同浮子在恢复力的作用下回到原来平衡位置所需要的时间不同，通过计算可以得到质量流量值；

根据楞次定律：感应电流具有这样的方向，即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化，施加给线圈的脉冲电流的极性(方向)必须满足线圈产生的电磁力使得浮子是向下运动的；

根据电磁力(安培力)计算公式：通电导线在磁场中受到的作用力等于导线长度乘以导线中通过的电流再乘以磁场强度；

F_d＝I*L*B (1)

式(1)中：I为线圈中的电流，L为线圈的导线长度，B为线圈产生的场强；F_d为电磁力；

式(2)中：F_f为浮子受脉冲力的震荡频率，Tm为脉宽时间，Tf为脉冲结束后浮子恢复到原平衡位置的时间；

由(1)(2)式得知：F_d反比于浮子于线圈间的距离即F_f正比于F_d也就得出Ff反比于流量计管路的流速，如下式所示：

式(3)中：V为流速，Kv为修正系数；

频域分析的结论是：浮子受线圈所产生的电磁力F_d而震荡的频率F_f反比于管路中的流速V，修正系数为K_v如公式(3)所示。

所述时域分析，当椎型流量计管路的流量或流速加大时，使得浮子在适合的截流面积处达到平衡，这时将有：

Wf＝Vf(ρ_f-ρ)g (4)

式(4)中：Wf为浮子的显示重量，Vf为浮子的体积，ρ_f：为浮子的密度，ρ为介质的密度，g为重力加速度；

因受到的恢复力，使得浮子回到原来的平衡位置，得知：恢复力所做的功等于浮子上浮到平衡位置的势能：

F＝mgh*h/h＝Km*mgV²/h (5)

式中：h为浮子从浮子受力下沉位置到浮子平衡位置的距离，V为流量计管路中的介质流速，该介质流速正比于浮子回到原平衡位置的距离h，即V²＝Km*h²Km为比例系数；

又由于m＝ρ*Vf＝ρ*Sf*L

式中：Sf为浮子处最大截面积，L为浮子的长度同，加一修正系数K得下式：

又由于：

qm＝ρf*qv

上述公式中：qm为质量流量，ρf为浮子密度，qv为体积流量；

qm＝Ke*h (6)

式(6)中：Ke为修正系数，h为浮子的移动距离；

得到：qm∝h，即质量流量qm正比于浮子移动的距离h。

所述质量与频率分析：

根据傅里叶变换如下：

式中：a、b为流量计的量程范围，f为给定脉宽下的恢复力响应时间对应的频值；

由式(1)-式(7)的分析和推导得到：

qm＝Re*Kn*Ft (8)

公式(8)中：qm为质量流量Qm为质量流量，Re为雷诺系数，Kn为修正系数；

Ft：为浮子的震荡频率；

可得：震荡频率与质量流量成正比关系。

本发明具有以下优点及有益效果：

本发明基于浮子流量计的基本构成，在测量管路中加一磁性浮子，当流量不同时浮子的位置也发生变化，浮子流量计是测量浮子的位置算出流量。本发明是在测量管路的外面加一线圈装置，发送一给定脉冲后使在某一流量下的浮子平衡位置在对线圈产生的电磁力作用下向下移动，当脉冲结束后浮子将在恢复力的作用下又恢复到原平衡位置，据此算出在恢复力的作用下的回复周期进而算出对应的质量流量。具有结构简单、设计合理，使用方便的特点。本发明是通过新型微处理器进行采样、运算并能将本地显示的流量和累积流量用4-20mA或RS485的型式传送到远方的设备中，从而实现高精度智能化处理。本发明还可以通过系统管理进行数据的数据库管理存储数据、查询数据等功能的实现。

本发明应用广泛，适合测量各种介质不受外界温度的影响，因为温度影响非常小，可以忽略。本发明还具备产品成本低、精确度高、具备数据远传功能，应用前景十分可观。在工业、农业，石油业、航空业、学校、科研、实验室等场合都较实用，并具备较好的经济效益和社会效应。

本发明浮子质量流量计填补了国内本行业的技术空白。本发明中线圈产生的电磁力使得浮子在不同流量下产生不同频率的震荡，线圈同时还感应浮子震荡所产生的电磁感应电流。通过理论推导出了质量流量与浮子震荡的频率成正比关系，浮子5震荡频率不受温度的影响。

本发明的技术特点是：

1.利用浮子流量计和质量流量计的各自特点进行融合，取各自的优点来实现了填补该发明产品的国内本行业的技术空白。

2.利用快速傅里叶FFT算法结合Malab建模使得本发明的产品精度更高。

3.采用新型高速微处理器使得运算速度更快，处理数据能力更强。

4.本发明利用浮子在恢复力的作用下不同周期函数则算出质量的算法是创新性的研制和发明。

5.本发明在流量计管路外加一既是给定输出又是采样输入的线圈是一新型创新和发明。

6.利用4-20mA或RS485进行数据远传并能实现系统管理。

7.合理的模块化设计使得生产、检测、维护更便捷。

8.超大的测量能力更能满足市场不同场合的应用需求。

9.具备报警功能使得用户更能设定和监视运行状态。

本发明的个性特点是：

1.通过加载一脉冲给流量计管路外加的线圈，来测量浮子恢复力作用下达到原来平衡点的恢复周期而得到浮子在恢复力作用下的恢复频率。该结构中线圈即做脉冲改定输出用同时在脉冲结束时有做恢复力检测的采样组件用。这样的设计从原理上看是一个性特点。从实现上看这独特结构也是一具备个性特点的架构。

2.通过快速傅里叶FFT算法和Matlab建模的思路创造发明了一新的流量计质量算法的新途径。改变了以往通过浮子位置来确定计算流量的做法，创新和突破了浮子流量计的质量计算的新方案，并完成了实现产品的新工艺和新生产，这也是本发明的一大个性特点和具体的实现。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的电气结构示意图；

图3是本发明对应较大流量的计算用示意图；

图4是本发明对应较小流量的计算用示意图。

图中：上法兰1，仪表2，线圈3，流量计管路4，浮子5，下法兰6，信号输出7，显示板8，主板CPU9，脉冲输出10，采样模块11，大流量液位面12，浮子受力下沉位置13，小流量液位面14，浮子受力下沉位置15,固定支架16，螺丝17，连接螺丝18，浮子档环19。

具体实施方式

以下结合具体实施例进行详细说明，本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同的方式实施。特别声明，以下的描述本质上只是起到了宏观解释和实例说明的作用，绝不对本公开及其应用或使用进行任何限制。

实施例1

本发明是一种浮子质量流量计，如图1所示，图1是本发明的结构示意图。将上法兰1采用螺纹连接安装到流量计管路4的上端口，将线圈3采用固定支架16将线圈3进行固定安装在流量计管路4上的适当位置处，固定支架16是采用螺丝17紧固连装在流量计管路4上的适当位置并与线圈3靠近固定好，将下法兰6采用螺纹连装到流量计管路4的下端口，将浮子5放置在流量计管路4中的浮子档环19上，浮子档环19是开口膨胀环靠膨胀力安装在流量计管路4中的下方，将仪表2通过连接螺丝18连接安装到流量计管路4上的固定支架16的位置上。

所述固定支架16可以选择市售的各种常规支架。

所述管路4的内壁为椎型体，上部的直径大于下部的直径。

图2所示，图2是本发明的电气结构示意图。在仪表2中安装有主板CPU9、显示板8安装在仪表2中并与主板CPU9连接、信号输出7是主板CPU9的一个电路模块并与主板CPU9连接，脉冲输出10是主板CPU9的一个电路模块，将脉冲输出10的输出端连接到线圈3上，脉冲输出10的输入端连接到主板CPU9的微处理器的输出端，采样模块11是主板CPU9的一个电路模块，将采样模块11的输入端连接到线圈3上，将采样模块11的输出端连接到主板CPU9的输入端，将显示板8连接到主板CPU9的输入输出端口上；信号输出7的输出端连接到用户设备上，信号输出7的输入端连接主板CPU9的输出端口。

如图3所示，图3是本发明对应较大流量的计算用示意图。其中，对应较大流量浮子平衡状态时浮子所处截面积为大流量液位面12：当线圈3给一脉冲时，在脉冲作用下浮子下移到最低点时的截面积为浮子受力下沉位置13。

如图4所示，图4是本发明对应较小流量的计算用示意图。其中，对应较小流量浮子平衡状态时浮子所处截面积为小流量液位面14：当线圈3给一脉冲时，在脉冲作用下浮子下移到最低点时的截面积为浮子受力下沉位置15。

实施例2

本发明是一种浮子质量流量计的计量方法，在具体实施时，将线圈3连接到脉冲输出10上，主板CPU9向线圈3发送一给定脉宽的脉冲，该脉宽可调，是根据微处理器的计算结果决定给多宽的脉冲，发送完成后，将线圈3的连接端通过主板CPU9的控制而切换到连接采样模块11上，供主板CPU9采样分析；主板CPU9最终将分析结果输送到显示板8上，通过显示板8显示流量计的相关内容，再通过主板CPU9把流量计的相关内传送到信号输出7上供用户使用。

本发明是一种浮子质量流量计的计量方法，包括以下步骤：

步骤1.频域分析。

如图3所示，图3是本发明对应较大流量的计算用示意图，线圈3接收脉冲输出10发来的脉冲而产生电磁场，当线圈3发送一定宽度的脉冲时，受电磁场力的作用，在不同流量或流速的情况下，使得浮子5在流量计管路4中所处的位置也产生变化下沉；脉冲结束后浮子5在恢复力的作用下回到原来平衡位置，浮子5恢复的过程中线圈3感应磁浮子5而产生电磁感应电流，提供给采样模块11，经过放大整型后送主板9进行数据处理。

图3中由于流量计管路4中的流量比较大使得浮子5与线圈3的距离就比较小，在线圈3中脉冲产生的磁场力作用下使得浮子5在平衡位置大流量液位面12向浮子受力下沉位置13的移动距离就比较大，这样当线圈3中脉冲结束时，在恢复力的作用下，浮子5从浮子受力下沉位置13上浮动到平衡位置大流量液位面12的移动时间就比较长。

在图4中由于流量计管路4中的流量比较小使得浮子5与线圈3的距离就比较大，在线圈3中脉冲产生的磁场力作用下使得浮子5在平衡位置小流量液位面14向浮子受力下沉位置15的移动距离就比较小，这样当线圈3中脉冲结束时，在恢复力的作用下，浮子5从浮子受力下沉位置15上浮动到平衡位置小流量液位面14的移动时间就比较短。

从图3和图4不同流量的分析得出的结论是：在线圈3中给出一定脉宽的脉冲时由于流量的不同浮子5在恢复力的作用下回到原来平衡位置所需要的时间就不同，这样通过计算可以得到质量流量值。

根据楞次定律：感应电流具有这样的方向，即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化，施加给线圈3的脉冲电流的极性(方向)必须满足线圈3产生的电磁力使得浮子5是向下运动的。

根据电磁力(安培力)计算公式：通电导线在磁场中受到的作用力等于导线长度乘以导线中通过的电流再乘以磁场强度。

F_d＝I*L*B (1)

式(1)中：I为线圈中的电流，L为线圈的导线长度，B为线圈产生的场强。F_d为电磁力。

式(2)中：F_f为浮子受脉冲力的震荡频率，Tm为脉宽时间，Tf为脉冲结束后浮子恢复到原平衡位置的时间。

由(1)(2)式得知：F_d反比于浮子于线圈间的距离即F_f正比于F_d也就得出Ff反比于流量计管路的流速，如下式所示：

式(3)中：V为流速，Kv为修正系数。

频域分析的结论是：浮子5受线圈3所产生的电磁力F_d而震荡的频率F_f反比于管路4中的流速V，修正系数为K_v如公式(3)所示。

步骤2.时域分析。

流量计管路4的内壁为椎型体，上部的直径大于下部的直径，当流量或流速加大时，会使得浮子5在适合的截流面积处达到平衡，这时将有：

Wf＝Vf(ρ_f-ρ)g (4)

式(4)中：Wf为浮子的显示重量，Vf为浮子的体积，ρ_f：为浮子的密度，ρ为介质的密度，g为重力加速度。

因为受到的恢复力使得浮子5回到原来的平衡位置可得知：恢复力所做的功等于浮子5上浮到平衡位置的势能

F＝mgh*h/h＝Km*mgV²/h (5)

式中：h为浮子5从浮子受力下沉位置到浮子平衡位置的距离，V为流量计管路4中的介质流速，该介质流速正比于浮子5回到原平衡位置的距离h，即V²＝Km*h²Km为比例系数。

又由于m＝ρ*Vf＝ρ*Sf*L

式中：Sf为浮子5处最大截面积，L为浮子5的长度。考虑实际情况再加一修正系数K得下式：

又由于：

qm＝ρf*qv

上述公式中：qm为质量流量，ρf为浮子5密度，qv为体积流量。

qm＝Ke*h (6)

式(6)中：Ke为修正系数，h为浮子的移动距离。

结论为：qm∝h，即质量流量qm正比于浮子5移动的距离h。

步骤3.质量与频率分析。

根据傅里叶变换如下：

式中：a、b为流量计的量程范围，f为给定脉宽下的恢复力响应时间对应的频值。

由式(1)-式(7)的分析和推导得到：

qm＝Re*Kn*Ft (8)

公式(8)中：qm为质量流量Qm为质量流量，Re为雷诺系数，Kn为修正系数。

Ft：为浮子5的震荡频率。

根据楞次定律、傅里叶变换等相关理论，推导出上述公式(8)即质量流量与磁浮子5受到线圈3所产生磁场的作用力，浮子5在该作用力下得到不同的恢复力进而产生不同的震荡频率，该频率与质量流量成正比关系。

本发明实施的主导思路就是将线圈3加一脉冲后，检测浮子5在恢复力的作用下达到平衡位置的时间，即是通过浮子5与线圈3的距离来推算出质量流量。

线圈3具备两个功能即接收脉冲产生电磁力对浮子5产生一个向下的力使其震荡，第二个是当脉冲结束后将感应到的浮子5在恢复力的作用下而产生的电磁力，送给采样模块11经过放大整型等处理送给主板9进行处理。

在算法上利用浮子5的恢复力所产生的震荡频率通过推导最后得到质量流量。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围，包括权利要求，被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。