無壓變量流量計的研究

裴翠萍　王琨琦

【摘 要】無壓變量流量計是一種新型流量計，該流量計采用電機帶動橢圓齒輪流量計進行測量，并將流量計和液位計復(fù)合，來實現(xiàn)小流量和微小流量的測量。該方案解決了傳統(tǒng)流量計無法在低壓力差下對微小流量測量的問題。

【關(guān)鍵詞】橢圓齒輪流量計；液位計；電機；微小流量

0 引言

近年來，隨著精細(xì)化工、醫(yī)藥工程等行業(yè)的興起，以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對節(jié)能環(huán)保、自動化控制要求的日益提高，微小流量的高精度、寬范圍計量需求逐漸凸顯[1-2]。在研究農(nóng)作物光合作用時的水肥利用效率時，需要測量土壤中水分的流失流量，該流量介于小流量和微流量之間，由于流量范圍較大，而瞬時流量有時及其微小，壓力差非常小。而在現(xiàn)有的流量計當(dāng)中，滿足此要求的流量計是沒有的，因此研究一種新型的微小流量計迫在眉睫。

本文提出了一種無壓變量流量計，它是基于單片機的橢圓齒輪流量計和液位計的復(fù)合來實現(xiàn)對微小流量計的測量。利用橢圓齒輪流量計精度高、測量范圍廣，來實現(xiàn)小流量和微小流量的測量。橢圓齒輪流量計是靠進出口的壓力差來工作，但是在水分流失中，壓力差非常小，為解決這一問題，我們采用步進電機帶動橢圓齒輪流量計轉(zhuǎn)動，來實現(xiàn)流量的測量。為解決電機帶動齒輪空轉(zhuǎn)問題，設(shè)計了用電容液位計監(jiān)測液位，并將液位信號傳給單片機，通過軟件設(shè)計控制電機的轉(zhuǎn)動。

1 微小流量計的泄露分析

流量計的內(nèi)泄漏是是影響流量計測量精度的最重要因素。對于通常的而言，泄漏主要包括內(nèi)泄露與外泄漏兩個部分。其中，外泄漏是指液壓系統(tǒng)中工作液體從高、低壓腔流到大氣的泄漏，一般是不允許的；而內(nèi)泄漏通常是指液壓元件內(nèi)部少量工作液體從高壓腔流到低壓腔的泄漏。

對于本課題所研究的橢圓齒輪流量計，外泄漏是通過布置于殼體上密封槽中的o型密封圈密封實現(xiàn)。內(nèi)泄露是通過流量計轉(zhuǎn)子之間的縫隙和轉(zhuǎn)子與端蓋之間的縫隙直接從進液口到出液口而沒有經(jīng)過計量腔的部分流體體積，主要包括從轉(zhuǎn)子端面與上下端蓋之間間隙通過的端面間隙泄漏以及從兩轉(zhuǎn)子嚙合間隙以及轉(zhuǎn)子齒頂與殼體之間配合間隙通過的徑向間隙泄漏兩個部分[3]。

對于端面間隙泄漏，其泄漏示意如圖1所示。轉(zhuǎn)子與上下端蓋之間存在間隙a和b，液體從該間隙的泄漏相當(dāng)于兩個平行圓盤間的泄漏。對于橢圓齒輪流量計而言，由于內(nèi)轉(zhuǎn)子是作圓周運動，粘附流動既造成高壓側(cè)向低壓側(cè)的泄漏，又造成低壓側(cè)向高壓側(cè)的泄漏，故基本可以忽略不計。因此端面間隙泄漏的主要方式是壓差泄漏，由于轉(zhuǎn)子與上下端蓋間的間隙相對于轉(zhuǎn)子生徑非常微小，故此縫隙中的流動可以用平行平板間縫隙流的模型進行模擬，其模型如圖2所示。

于是，單位寬度縫隙中所通過的流量值為：

根據(jù)上式可知，斷面間隙泄露與間隙高度的三次方成正比，與間隙兩側(cè)的壓差成正比且與油液粘度成反比。

對于給定的流量計，它產(chǎn)生漏流的間隙是一定的，我們要測定的液體的粘度也是一定的，流量計的漏流量僅與間隙兩側(cè)的壓力差有關(guān)系。為了能夠精密測量，研制了主動復(fù)合式微小流量。其工作原理是：流量計的運動部件不靠進出口的壓力差為動力，而是直接由電機帶動。在整個過程中，力圖保持流量計進出口的壓力差為零，使漏流量減少到最小。從原理上講，不論用于什么流體，都沒有漏流。

2 無壓變量流量計的結(jié)構(gòu)設(shè)計

該微小流量計主要包括一個電容式液位計，一個步進電機，一個節(jié)流閥和橢圓齒輪流量計。如圖3所示，電容式液位計放入左邊管道，當(dāng)液位計的高度超50mm，單片機會發(fā)出脈沖，啟動電機，將液體通過橢圓齒輪流量計排出去。當(dāng)液位低于50mm時，電機不會轉(zhuǎn)動，而橢圓齒輪流量計是靠進出口的壓力差來工作的，但是我們的液體的壓力差特別小，不足以讓橢圓齒輪流量計工作，電機又不轉(zhuǎn)動，液體也就自然排不出去了，而在此時我們的這種方案依舊能顯示出瞬時流量和累積流量，這時主要靠的是液位計的高度變化并通過相關(guān)公式來計算并能能準(zhǔn)確的反映出每個階段的瞬時流量和累積流量。這種主動復(fù)合式微小流量的結(jié)構(gòu)簡單，不僅能通過液位計計算出微小流量，還能通過步進電機帶動橢圓齒輪流量計解決壓差問題，使橢圓齒輪流量計在壓力差幾乎為零的情況下也能工作，除此之外，橢圓齒輪流量計與液位計的復(fù)合，不僅可以測小流量和微小流量，還可以測斷續(xù)式的流量。

3 結(jié)論

采用基于單片機的主動式橢圓齒輪流量計與液位計復(fù)合的方法，實現(xiàn)了對土壤中流失流量測量。利用橢圓齒輪流量計的精度高、測量范圍廣，來實現(xiàn)對微流量和小流量的測量。為克服壓力差，采用用步進電機帶動橢圓齒輪流量計，這種方法可以保持流體進出口的壓力差為零，使漏流量減到最小，增加了此流量計的精度。為防止電機帶動齒輪空轉(zhuǎn)，并能同時對管道內(nèi)微小流量測量和由電機轉(zhuǎn)動橢圓齒輪流量計的排出流量進行測量，采用電容式液位計，它不僅可以監(jiān)測液位的變化來控制電機的轉(zhuǎn)動，還可以測量流量。

【參考文獻】

[1]川田裕郎，小官勤一，山崎宏郎.流量測量手冊[M].北京：計量出版社，1987.

[2]蔡武昌.微小流量儀表性能及其應(yīng)用[J].石油化工自動化，2009， 45（4）：1-5.

[3]袁文華，鄂加強，龔金科，等.柴油機油耗量橢圓齒輪智能測量模型[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2006，37（7）：39-41.

[責(zé)任編輯：田吉捷]