光電磁耦合旋轉(zhuǎn)活塞式流量計(jì)設(shè)計(jì)研究

趙獻(xiàn)丹，何慶中

（1.四川理工學(xué)院；2.過(guò)程裝備與控制工程四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，自貢 643000）

0 引言

旋轉(zhuǎn)活塞式流量計(jì)是容積式流量計(jì)的一種，它的轉(zhuǎn)子是一個(gè)定容積的容器，每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，排出固定體積的流體，因此可以據(jù)此計(jì)算出旋轉(zhuǎn)活塞式流量計(jì)單位時(shí)間內(nèi)的流量或者一定時(shí)間內(nèi)的流量。旋轉(zhuǎn)活塞式流量計(jì)的計(jì)量精度較高，常應(yīng)用于昂貴介質(zhì)或需要精確計(jì)量的場(chǎng)合，廣泛應(yīng)用在石油、化工、涂料、醫(yī)藥、食品等工業(yè)部門(mén)[1]。

1 旋轉(zhuǎn)活塞式流量計(jì)的工作原理

旋轉(zhuǎn)活塞式流量計(jì)主要是由計(jì)量室、旋轉(zhuǎn)活塞、隔板等部分組成（如圖1所示），測(cè)量室底部有進(jìn)液孔和出液孔分別和流量計(jì)的進(jìn)口和出口相連，計(jì)量室內(nèi)壁上下有環(huán)形導(dǎo)槽，旋轉(zhuǎn)活塞的活塞銷(xiāo)在環(huán)形導(dǎo)槽中繞計(jì)量室的中心轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)活塞的徑向凹槽槽口沿著隔板作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活塞與計(jì)量室內(nèi)壁的接觸線和隔板將計(jì)量室分隔為入口腔和出口腔兩部分，旋轉(zhuǎn)活塞在入口腔和出口腔液體壓差的推動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，每旋轉(zhuǎn)一周，將定量的液體從進(jìn)液孔輸送到出液孔[2]。

2 霍爾效應(yīng)旋轉(zhuǎn)活塞式流量計(jì)

圖1 旋轉(zhuǎn)活塞式流量計(jì)結(jié)構(gòu)

圖2 霍爾效應(yīng)旋轉(zhuǎn)活塞式流量計(jì)結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)活塞式流量計(jì)除了機(jī)械部分外，必須有計(jì)數(shù)單元來(lái)計(jì)算旋轉(zhuǎn)活塞的轉(zhuǎn)數(shù)；為了與控制器（PLC、單片機(jī)等）連接，還需要信號(hào)處理單元將計(jì)數(shù)單元輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換成控制器能夠識(shí)別的信號(hào)?；魻杺鞲衅黧w積小、成本低、靈敏度較高[3]，旋轉(zhuǎn)活塞式流量計(jì)的計(jì)數(shù)單元一般是采用霍爾傳感器?；魻栃?yīng)旋轉(zhuǎn)活塞式流量計(jì)（如圖2所示）是在撥桿上端放置環(huán)形磁鐵，撥桿由旋轉(zhuǎn)活塞的活塞銷(xiāo)驅(qū)動(dòng)，與旋轉(zhuǎn)活塞同步旋轉(zhuǎn)，與環(huán)形磁鐵相對(duì)應(yīng)的是單極性霍爾傳感器，活塞轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，霍爾元件對(duì)變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生反應(yīng)，產(chǎn)生脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、放大、整形后輸出給控制器。霍爾效應(yīng)旋轉(zhuǎn)活塞式流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，而且由于霍爾傳感器是非接觸式傳感器，容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械部分與電氣部分的隔離，因此，霍爾效應(yīng)旋轉(zhuǎn)活塞式流量在飲料、白酒食品加工行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。但是，霍爾效應(yīng)旋轉(zhuǎn)活塞式存在如下的缺點(diǎn)：

1）流量計(jì)信號(hào)處理電路較復(fù)雜，圖3所示為某型號(hào)霍爾效應(yīng)旋轉(zhuǎn)活塞式流量計(jì)的信號(hào)處理電路，該流量計(jì)的計(jì)數(shù)單元有六個(gè)霍爾傳感器，每一個(gè)霍爾傳感器都必須有相應(yīng)的信號(hào)處理電路，傳感器越多，電路越復(fù)雜，而且輸出波形不夠理想，不是理想的矩形波，可能導(dǎo)致控制器無(wú)法識(shí)別，從而降低流量計(jì)的可靠性和精度；

圖3 霍爾效應(yīng)旋轉(zhuǎn)活塞式流量計(jì)信號(hào)處理電路

2）流量計(jì)的分辨率低，霍爾效應(yīng)旋轉(zhuǎn)活塞式流量計(jì)的分辨率決定于傳感器的數(shù)目，為提高流量計(jì)的分辨率，必須增加傳感器的數(shù)量，由于流量計(jì)內(nèi)部空間的限制，不能布置太多的傳感器，一般只能布置6個(gè)霍爾傳感器，使得霍爾效應(yīng)旋轉(zhuǎn)活塞式流量計(jì)的分辨率不高，常用的霍爾效應(yīng)旋轉(zhuǎn)活塞式流量計(jì)的分辨率大于q/6ml（q為每轉(zhuǎn)容積排量[4]）。

3 光電磁耦合旋轉(zhuǎn)活塞式流量計(jì)

為提高旋轉(zhuǎn)活塞式流量計(jì)的分辨率和可靠性，設(shè)計(jì)了光電磁耦合旋轉(zhuǎn)活塞式流量計(jì)（如圖4所示），耦合環(huán)形磁鐵與撥桿上端的環(huán)形磁鐵在密封板的兩側(cè)相對(duì)安裝，通過(guò)磁場(chǎng)的耦合將轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)同步傳遞給光電碼盤(pán)，通過(guò)光電傳感器將轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)傳遞給控制器（PLC）。

圖4 光電磁耦合旋轉(zhuǎn)活塞式流量計(jì)

光電磁耦合旋轉(zhuǎn)活塞式流量計(jì)采用光電傳感器作為流量計(jì)的計(jì)數(shù)單元，光電傳感器靈敏度高，抗電磁干擾能力強(qiáng)，信號(hào)處理電路簡(jiǎn)單，輸出波形是標(biāo)準(zhǔn)的矩形波，易于控制器接收，因而光電磁耦合旋轉(zhuǎn)活塞式流量計(jì)具有較高的可靠性和精度；此外，提高光電磁耦合旋轉(zhuǎn)活塞式流量計(jì)的分辨率不需要增加光電傳感器的數(shù)目，只需要通過(guò)選擇線數(shù)較多的光電碼盤(pán)就可以大大提高流量計(jì)的分辨率，因此，光電磁耦合旋轉(zhuǎn)活塞式流量計(jì)的信號(hào)處理電路不會(huì)因?yàn)榉直媛实奶岣叨兊脧?fù)雜，在采用100線光電碼盤(pán)時(shí)，分辨率可以達(dá)到q/100ml。

此次研究中，選用歐姆龍PLC作為控制器，光電開(kāi)關(guān)的輸出電壓只有5V，而PLC的輸入端電壓為24V，因此不能將光電開(kāi)關(guān)的輸出信號(hào)直接輸入PLC，需要經(jīng)過(guò)電壓轉(zhuǎn)換。光耦不但能進(jìn)電壓轉(zhuǎn)換，還能夠隔離干擾，因此選擇光耦作為轉(zhuǎn)換元件，由于選用的光電碼盤(pán)為100線，光電開(kāi)關(guān)輸出信號(hào)的頻率較高，需要使用高速光耦，高速光耦6N137具有較高的開(kāi)關(guān)頻率，符合使用要求，光耦電路如圖5所示。

圖5 光電磁耦合旋轉(zhuǎn)活塞式流量計(jì)光耦電路

旋轉(zhuǎn)活塞式流量計(jì)中通過(guò)的是液體介質(zhì)，為了防止液體介質(zhì)對(duì)電子元件的腐蝕，流量計(jì)轉(zhuǎn)子部分必須和電路部分隔離，進(jìn)行隔離的同時(shí)還必須保證光電碼盤(pán)和旋轉(zhuǎn)活塞的同步旋轉(zhuǎn)。如果將光電碼盤(pán)直接安裝在撥桿上，撥桿和隔板之間采用密封圈進(jìn)行密封，這種密封效果不理想，一方面流量計(jì)內(nèi)的液體有一定的壓力，容易產(chǎn)生滲漏；另一方面密封圈使用時(shí)間長(zhǎng)，容易老化失效，降低流量計(jì)的使用壽命。采用磁耦合可以很好的解決隔離問(wèn)題，在光電碼盤(pán)的軸上裝有耦合磁環(huán)，隔著密封板與撥桿上的磁環(huán)相對(duì)，旋轉(zhuǎn)活塞的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)兩個(gè)磁環(huán)之間的磁場(chǎng)耦合同步傳遞給光電碼盤(pán)，為保證二者的同步轉(zhuǎn)動(dòng)，采用磁性較強(qiáng)的釹磁鐵。

4 結(jié)束語(yǔ)

光電磁耦合旋轉(zhuǎn)活塞式流量計(jì)采用光電傳感器作為計(jì)數(shù)元件，簡(jiǎn)化了信號(hào)處理電路，提高了抗干擾能力；采用磁耦合不但可靠地保證了機(jī)電隔離，而且也保證了運(yùn)動(dòng)的同步傳遞。光電磁耦合旋轉(zhuǎn)活塞式流量計(jì)對(duì)旋轉(zhuǎn)活塞式流量計(jì)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新，大大提高了旋轉(zhuǎn)活塞式流量計(jì)的分辨率和可靠性，該項(xiàng)目正在申請(qǐng)國(guó)家專(zhuān)利。

[1]王燕,方景林.過(guò)程檢測(cè)與控制[M].北京:清華大學(xué)出版社, 2006:51-54.

[2]申榮華,張永德,周元康,等.旋轉(zhuǎn)活塞流量計(jì)計(jì)量室的密封設(shè)計(jì)[J].貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2001(04):4-6.

[3]王福瑞.模擬信號(hào)處理[M].北京:中國(guó)電力出版社,2005:226-228.

[4]張立民.關(guān)于旋轉(zhuǎn)活塞流量計(jì)的研究[J].自動(dòng)化與儀表,1990(01):11-14.