阅读说明：本技术 弹性负载式金属管浮子流量计 (Elastic load type metal tube float flowmeter ) 是由 刘文凤 于闰成 顾丽娜 田野 于 2020-07-07 设计创作，主要内容包括：本发明弹性负载式金属管浮子流量计,其特征是传感器由测量管、圆形孔板、浮子组件、导杆、导杆前端支架、导杆后端支架、浮子弹簧构成；浮子组件由类锥形浮子、磁钢套、导套构成；导套的前部与类锥形浮子的中心孔固定配合连接,导套的前部内孔与导杆滑动配合,在导杆后端支架的前端设有浮子弹簧座套,浮子弹簧座套的前部与类锥形浮子的导套的内孔滑动配合,浮子弹簧安装在浮子弹簧座套上对类锥形浮子实施弹簧压力作用；所述的类锥形浮子的截面为在轴向等间距设点、半径由大至小变化的拟合曲线形。其流量输出的刻度显示跨度均匀,检测精度可达±1%FS,压力损失小,便于装卸维修。(The invention relates to an elastic load type metal tube float flowmeter, which is characterized in that a sensor consists of a measuring tube, a circular orifice plate, a float assembly, a guide rod front end bracket, a guide rod rear end bracket and a float spring; the floater component consists of a cone-like floater, a magnetic steel sleeve and a guide sleeve; the front part of the guide sleeve is fixedly matched and connected with a center hole of the similar conical floater, an inner hole at the front part of the guide sleeve is in sliding fit with the guide rod, a floater spring seat sleeve is arranged at the front end of the support at the rear end of the guide rod, the front part of the floater spring seat sleeve is in sliding fit with the inner hole of the guide sleeve of the similar conical floater, and the floater spring is arranged on the floater spring seat sleeve and exerts spring pressure action on the similar conical floater; the section of the cone-like floater is a fitting curve shape with points arranged at equal intervals in the axial direction and with the radius changing from large to small. The scale display span of the flow output is uniform, the detection precision can reach +/-1% FS, the pressure loss is small, and the loading, unloading and maintenance are convenient.)

弹性负载式金属管浮子流量计

技术领域

本发明设计的是金属管浮子流量计。

背景技术

金属管浮子流量计是管道流量测量仪表，安装方式分为垂直式和水平式两种。

目前水平式安装的金属管浮子流量计，由传感器和转换器两部分组成。传感器部分由输入管、输出管、立管、测量管、锥形浮子、浮子下限位环、浮子上限位环、孔板构成，输入管和输出管安装在立管下端左右两侧，测量管上端通过法兰盘与立管上端固定连接，测量管的下端与输入管通连，测量管的上端开有出流孔，浮子下限位环和浮子上限位环分别固定安装在测量管内的上下端，锥形浮子上下两端的导杆分别与浮子下限位环和浮子上限位环滑动配合，孔板固定安装在测量管内，与锥形浮子对应配合。

其工作原理是介质从输入管进入测量管向上流动，锥形浮子受到向上的上升力、浮力、向下的重力作用，当这三个力平衡时，锥形浮子停留在某一位置，锥形浮子和孔板形成环隙流通面,该环隙流通面与通过的流量呈一定的对应关系，环隙流通面的面积大则流量大。锥形浮子中的磁钢与转换器中转轴上的磁钢耦合，通过转换器转换成流量值，由指针刻度盘指示或输出4－20mA电流信号。

上述现有技术水平式金属管浮子流量计是垂直结构的一种变形，介质虽然是水平管一进一出，但测量部仍是垂直式结构，流体进入测量管内进行90度折流，使流体产生紊流，即产生偏流和旋转流，使锥形浮子下部及孔板环隙流通面的流场畸变，导致锥形浮子产生严重抖动，影响与转换器的配合，降低金属管浮子流量计的测量精度，其检测精度大于±1.5%FS。

上述现有技术金属管浮子流量计锥形浮子与孔板之间的流通面积与流量呈对应关系，但是流量输出的刻度显示跨度变化很大，特别是在50%～100%的流量输出时显示刻度跨度较小，即显示刻度密集，造成刻度显示的不均匀，视觉效果差。

另外，安装在管道上的金属管浮子流量计的传感器是一个阻力件，流体在通过金属管浮子流量计的传感器时将产生压力损失，这会带来一定的管道压力损失，而在生产中，管道压力损失越小越好，上述现有技术，流体连续的折流会导致较大的压力损失。

发明内容

本发明发明的目的是针对现有技术的不足进行改进，提供一种检测精度高、压力损失小，刻度显示分布比较均匀、工作可靠，安装使用、维护方便的水平式金属管浮子流量计。

本发明弹性负载式金属管浮子流量计由传感器和转换器两部分组成；

传感器由测量管、圆形孔板、浮子组件、导杆、导杆前端支架、导杆后端支架、浮子弹簧构成。

在测量管的前后端分别设有测量管前端法兰和测量管后端法兰。

导杆前端支架固定安装在测量管前端法兰内孔中，导杆后端支架定安装在测量管后端法兰内孔中，导杆前端与导杆前端支架中心固定连接，导杆后端与导杆后端支架中心定位配合连接。

浮子组件由类锥形浮子、磁钢套、导套构成；磁钢套安装在类锥形浮子的中心孔止口槽中，导套的前部与类锥形浮子的中心孔固定配合连接，导套的前部内孔与导杆滑动配合；导套的后部伸出类锥形浮子的后端。

在所述的导杆后端支架的前端设有浮子弹簧座套，该浮子弹簧座套的前部与所述的类锥形浮子的导套的内孔滑动配合，圆柱形的浮子弹簧安装在导杆后端支架的浮子弹簧座套上，圆柱形浮子弹簧推顶类锥形浮子的导套的后端，对类锥形浮子实施弹簧压力作用；对应类锥形浮子在测量管内固定安装圆形孔板。

所述的类锥形浮子的截面为在轴向等间距设点、半径由大至小变化的拟合曲线形。

本发明弹性负载式金属管浮子流量计的传感器工作原理：

当测量管内流体流动时，推动类锥形浮子轴向移动，类锥形浮子与圆形孔板形成环隙流通面，并形成类锥形浮子前后端的压力差，圆柱形浮子弹簧作用于类锥形浮子的后端，使类锥形浮子前后端的压力平衡，使类锥形浮子停留在某一位置。

类锥形浮子外径与圆形孔板内径形成的环隙流通面即流通面积△F

根据伯努利方程和连续性方程得出：体积流量Q_V与流通面积△F有如下关系：

其中：

Q_V：浮子各流量点的流量值

α：仪表的流量系数

ε：被测流体为液体时ε=1，被测流体为气体时气体膨胀系数，通常由于此系数校正量很小而被忽略，且通过校验可将它包括在仪表的流量系数内

△F：流通面积

g：重力加速度，m/s²

G_f：浮子质量，kg

V_f：浮子体积，m³

ρ：被测流体密度，kg/m³

F_f：浮子最大半径处的横截面积，㎡。

当传感器的圆形孔板、浮子结构、被测流体已定时，则式（1）中的α、ε、G_f、V_f、ρ、F_f、这些参数就已确定，运算时可视为常数C，即：

式(1)整合变化为：

式（3）中Q_V和△F为正比例对应关系，所以此结构可以测量管道中的流体流量。

r₀为浮子最大半径（对应零点位置）

r_n为浮子各流量点半径（n为流量设定点：0、1、2、3……8、9、10）

通过公式（3）可以得知，流量仅与类锥形浮子和孔板之间的环隙流通面积有关，与浮子弹簧弹力无关。浮子弹簧主要作用是在流量变小时，对类锥形浮子起到归位作用。

浮子弹簧的参数设计参照垂直安装的金属管浮子流量计中的浮子的受力分析：

在类锥形浮子处于最大流量位置时，即浮子弹簧最大压缩量Xmax时，浮子弹簧最大弹力F应等于垂直安装的金属管浮子流量计中的浮子的重力与浮力的差值，即浮子弹簧的最大弹力F应等于最大流量时流体对的类锥形浮子的推力；

F=K·X_max=重力-浮力 …………(5)

F:浮子弹簧弹力,kgf

X_max: 浮子弹簧最大压缩量,mm

K: 浮子弹簧弹性系数 (kgf/mm)。

为了保证流量为零时，浮子弹簧将类锥形浮子推回零点位置，在类锥形浮子处于零点位置时，浮子弹簧要保持一定的的弹力。

表1：钢-钢的摩擦系数：

由上表可知，在类锥形浮子处于零点位置时，设定浮子弹簧弹力较佳为浮子弹簧最大弹力的0.12倍，以克服类锥形浮子与导杆之间的摩擦力，将类锥形浮子推回零点位置。

本发明在测量管内没有介质流动时，类锥形浮子最大端与圆形孔板间隙约0.2mm，即零点位置。当测量管内有介质流动时，介质流动推动类锥形浮子轴向移动，压缩圆柱形浮子弹簧，圆形孔板与类锥形浮子的间隙变大，流通面积增大，当类锥形浮子最小端与圆形孔板对应时，流量最大。

按照JJG 257-2007浮子流量计检定规程要求，类锥形浮子外形设计按照轴向10等份等间距设点、半径由大至小变化的拟合曲线形。流量设定点与类锥形浮子轴向10等份等间距设点一一对应，每一设定点对应刻度盘上的刻度值，使得刻度盘上的流量示值呈均匀状态分布，便于读取数值。

本发明金属管浮子流量计类锥形浮子与圆形孔板之间的流通面积与流量呈对应关系，类锥形浮子内置的圆形磁钢套与转换器中的磁钢进行耦合，由指针和刻度盘指示出来，其流量输出的刻度显示跨度均匀，视觉效果好，检测精度高，可达±1%FS。而且介质没有90度折流，使流体产生紊流，浮子稳定性好，压力损失小，也方便浮子的维修装卸。

附图说明

图1是现有技术水平式金属管浮子流量计结构示意图。

图2、3本发明实施例结构示意图，其中图2是流量为零时状态，图3是流量接近最大时状态。

图4是类锥形浮的导套的实施例结构示意图。

图5是导杆后端支架实施例结构示意图。

图6是类锥形浮子结构状态示意图，截面拟合曲线为轴向等间距设点、半径由大至小变化。

具体实施方式

本发明弹性负载式金属管浮子流量计由传感器和转换器两部分组成；传感器由测量管1、圆形孔板2、浮子组件3、导杆4、导杆前端支架5、导杆后端支架6、浮子弹簧7构成。

在测量管1的前端焊接设有测量管前端法兰11，在测量管1的后端焊接设有测量管后端法兰12。

导杆前端支架5通过止口和卡簧51固定安装在测量管前端法兰11内孔中，导杆后端支架6焊接固定安装在测量管后端法兰12内孔中，导杆4前端通过螺纹端头和锁紧螺母41与导杆前端支架5中心孔配合固定连接，导杆4后端与导杆后端支架6中心孔插装定位配合。

浮子组件3由类锥形浮子30、磁钢套31、导套32构成；磁钢套31固定安装在类锥形浮子30的中心孔止口槽中，导套32的前部与类锥形浮子的中心孔止口配合焊接固定连接，导套32内孔的前部与导杆4滑动配合；导套32的后部伸出类锥形浮子30的后端。

在所述的导杆后端支架6的前端一体或固定连接设有浮子弹簧座套61，该浮子弹簧座套61与所述的导套32内孔的后部滑动配合，圆柱形的浮子弹簧7安装在导杆后端支架的浮子弹簧座套61上，高精度不锈钢圆柱形的浮子弹簧7推顶导套32的后端，对类锥形浮子30实施弹簧轴向压力作用；对应类锥形浮子30在测量管内固定安装圆形孔板2。

所述的类锥形浮子的截面为在轴向等间距设点、半径由大至小变化的拟合曲线形。

附图4实施例所示，在伸出类锥形浮子30后端的导套后部32’上分布开设有若干轴向长条形***槽孔33，其防止脏污存附在导套32内孔中阻滞类锥形浮子30轴向滑动。

附图5所示在所述的浮子弹簧座套61上分布开设有若干轴向长条形槽孔611，其用于防止脏污附着在浮子弹簧座套61面上阻滞浮子弹簧7伸缩运动，并减少浮子弹簧7与浮子弹簧座套61的接触面积，降低滑动阻力；在所述的浮子弹簧座套61的前端设开凸台612，该凸台612与导套后部32’内孔滑动配合，以减少浮子弹簧座套61与导套后部32’内孔的滑动配合面，滑动配合更轻松。

实施例

参数：

介质：水，

量程：10 m³/h

密度1.0g/cm³

介质温度20℃

操作压力4.0 MPa

管道口径DN50

弹性负载式金属管浮子流量计结构设计：

测量管DN50口径，

圆形孔板半径=23mm

类锥形浮子大端半径r₀=23mm

类锥形浮子小端半径r₁₀=12mm

类锥形浮子拟合曲线的轴向长度L=50mm。

类锥形浮子拟合曲线轴向长度L=50mm均分10等份，共11个流量设定点。

按式（3）Q_v = C×△F进行计算。

0 %点 ：△F₀=πr₀ ² –πr₀ ² ≈0

Q_v0= C×△F₀=0

10%点 ：△F₁=πr₀ ² –πr₁ ²

Q_{v 1}= C×△F₁=C×（πr₀ ² –πr₁ ² ）=10%×Q_{v max}………… (6)

20%点 ：△F₂=πr₀ ² –πr₂ ²

Q_{v 2}= C×△F₂=C×（πr₀ ² –πr₂ ² ）=20%×Q_{v max}………… (7)

以此类推，

100%点 ：△F₁₀=πr₀ ² –πr₁₀ ²

Q_{v 10}= Q_{v max}=C×△F₁₀=C×(πr₀ ² –πr₁₀ ²)………… (8)

Q_{v max}最大流量值

由式（6）、（8）得：

C×（πr₀ ² –πr₁ ² ）=10%×Q_{v max}=10%×C×(πr₀ ² –πr₁₀ ²)得出r₁值；

以此类推得出r₂、r₃、r₃……r₁₀ 如下表2，既可以加工出类锥形浮子。

表2： 流量刻度11点均分类锥形浮子拟合曲线各点数值

从表2中可以看出，相邻两点的半径的平方差值△r²是相等的。所以，各点流量差值相等，相邻两点间距相等，类锥形浮子内置圆形磁钢与转换器中的输出轴上的磁钢同步耦合，使得刻度盘间距均匀。

浮子弹簧参数：

表3 ：弹簧弹力计算数值

介质为水时，浮子组件的重量为0.81KG，浮子浮力为0.78N，重力与浮力的差值约为7.3N，类锥形浮子的最大行程为50mm，即弹簧的最大压缩量X_max为50mm, 弹簧弹性系数K经计算K=0.01，弹簧力Fmax最大7.34N, 弹簧力最小Fmin0.9N。

按照类锥形浮子从0－10 的11个流量设定点，对转换器的刻度盘进行流量刻度标定。

浮子的最大外径处于圆形孔板位置时，环形间隙流通面积为零，流量为零。

当介质从左端流入，类锥形浮子受到流体向右的流体推力向右移动，浮子弹簧受到浮子导套的推力而压缩，浮子弹簧的压缩弹力反作用于类锥形浮子，当液体推力大于浮子弹簧弹力时，类锥形浮子向右滑动，环隙面积逐渐增大，流量随之增大；当液体推力等于浮子弹簧弹力时，类锥形浮子停滞不动，此时检测到的流量即为瞬时流量；当液体推力小于浮子弹簧弹力时，类锥形浮子向左滑动，环隙面积逐渐减小，流量随之减小。