光電磁耦合旋轉活塞式流量計設計研究

趙獻丹，何慶中

（1.四川理工學院；2.過程裝備與控制工程四川省高校重點實驗室，自貢 643000）

0 引言

旋轉活塞式流量計是容積式流量計的一種，它的轉子是一個定容積的容器，每轉動一周，排出固定體積的流體，因此可以據此計算出旋轉活塞式流量計單位時間內的流量或者一定時間內的流量。旋轉活塞式流量計的計量精度較高，常應用于昂貴介質或需要精確計量的場合，廣泛應用在石油、化工、涂料、醫藥、食品等工業部門[1]。

1 旋轉活塞式流量計的工作原理

旋轉活塞式流量計主要是由計量室、旋轉活塞、隔板等部分組成（如圖1所示），測量室底部有進液孔和出液孔分別和流量計的進口和出口相連，計量室內壁上下有環形導槽，旋轉活塞的活塞銷在環形導槽中繞計量室的中心轉動，旋轉活塞的徑向凹槽槽口沿著隔板作直線往復運動，活塞與計量室內壁的接觸線和隔板將計量室分隔為入口腔和出口腔兩部分，旋轉活塞在入口腔和出口腔液體壓差的推動下轉動，每旋轉一周，將定量的液體從進液孔輸送到出液孔[2]。

2 霍爾效應旋轉活塞式流量計

圖1 旋轉活塞式流量計結構

圖2 霍爾效應旋轉活塞式流量計結構

旋轉活塞式流量計除了機械部分外，必須有計數單元來計算旋轉活塞的轉數；為了與控制器（PLC、單片機等）連接，還需要信號處理單元將計數單元輸出的信號轉換成控制器能夠識別的信號。霍爾傳感器體積小、成本低、靈敏度較高[3]，旋轉活塞式流量計的計數單元一般是采用霍爾傳感器。霍爾效應旋轉活塞式流量計（如圖2所示）是在撥桿上端放置環形磁鐵，撥桿由旋轉活塞的活塞銷驅動，與旋轉活塞同步旋轉，與環形磁鐵相對應的是單極性霍爾傳感器，活塞轉動時，霍爾元件對變化的磁場產生反應，產生脈沖信號，脈沖信號經過濾波、放大、整形后輸出給控制器。霍爾效應旋轉活塞式流量計結構簡單，成本較低，而且由于霍爾傳感器是非接觸式傳感器，容易實現機械部分與電氣部分的隔離，因此，霍爾效應旋轉活塞式流量在飲料、白酒食品加工行業中得到廣泛的應用。但是，霍爾效應旋轉活塞式存在如下的缺點：

1）流量計信號處理電路較復雜，圖3所示為某型號霍爾效應旋轉活塞式流量計的信號處理電路，該流量計的計數單元有六個霍爾傳感器，每一個霍爾傳感器都必須有相應的信號處理電路，傳感器越多，電路越復雜，而且輸出波形不夠理想，不是理想的矩形波，可能導致控制器無法識別，從而降低流量計的可靠性和精度；

圖3 霍爾效應旋轉活塞式流量計信號處理電路

2）流量計的分辨率低，霍爾效應旋轉活塞式流量計的分辨率決定于傳感器的數目，為提高流量計的分辨率，必須增加傳感器的數量，由于流量計內部空間的限制，不能布置太多的傳感器，一般只能布置6個霍爾傳感器，使得霍爾效應旋轉活塞式流量計的分辨率不高，常用的霍爾效應旋轉活塞式流量計的分辨率大于q/6ml（q為每轉容積排量[4]）。

3 光電磁耦合旋轉活塞式流量計

為提高旋轉活塞式流量計的分辨率和可靠性，設計了光電磁耦合旋轉活塞式流量計（如圖4所示），耦合環形磁鐵與撥桿上端的環形磁鐵在密封板的兩側相對安裝，通過磁場的耦合將轉子的轉動同步傳遞給光電碼盤，通過光電傳感器將轉子的位置信號傳遞給控制器（PLC）。

圖4 光電磁耦合旋轉活塞式流量計

光電磁耦合旋轉活塞式流量計采用光電傳感器作為流量計的計數單元，光電傳感器靈敏度高，抗電磁干擾能力強，信號處理電路簡單，輸出波形是標準的矩形波，易于控制器接收，因而光電磁耦合旋轉活塞式流量計具有較高的可靠性和精度；此外，提高光電磁耦合旋轉活塞式流量計的分辨率不需要增加光電傳感器的數目，只需要通過選擇線數較多的光電碼盤就可以大大提高流量計的分辨率，因此，光電磁耦合旋轉活塞式流量計的信號處理電路不會因為分辨率的提高而變得復雜，在采用100線光電碼盤時，分辨率可以達到q/100ml。

此次研究中，選用歐姆龍PLC作為控制器，光電開關的輸出電壓只有5V，而PLC的輸入端電壓為24V，因此不能將光電開關的輸出信號直接輸入PLC，需要經過電壓轉換。光耦不但能進電壓轉換，還能夠隔離干擾，因此選擇光耦作為轉換元件，由于選用的光電碼盤為100線，光電開關輸出信號的頻率較高，需要使用高速光耦，高速光耦6N137具有較高的開關頻率，符合使用要求，光耦電路如圖5所示。

圖5 光電磁耦合旋轉活塞式流量計光耦電路

旋轉活塞式流量計中通過的是液體介質，為了防止液體介質對電子元件的腐蝕，流量計轉子部分必須和電路部分隔離，進行隔離的同時還必須保證光電碼盤和旋轉活塞的同步旋轉。如果將光電碼盤直接安裝在撥桿上，撥桿和隔板之間采用密封圈進行密封，這種密封效果不理想，一方面流量計內的液體有一定的壓力，容易產生滲漏；另一方面密封圈使用時間長，容易老化失效，降低流量計的使用壽命。采用磁耦合可以很好的解決隔離問題，在光電碼盤的軸上裝有耦合磁環，隔著密封板與撥桿上的磁環相對，旋轉活塞的轉動通過兩個磁環之間的磁場耦合同步傳遞給光電碼盤，為保證二者的同步轉動，采用磁性較強的釹磁鐵。

4 結束語

光電磁耦合旋轉活塞式流量計采用光電傳感器作為計數元件，簡化了信號處理電路，提高了抗干擾能力；采用磁耦合不但可靠地保證了機電隔離，而且也保證了運動的同步傳遞。光電磁耦合旋轉活塞式流量計對旋轉活塞式流量計進行了結構上的創新，大大提高了旋轉活塞式流量計的分辨率和可靠性，該項目正在申請國家專利。

[1]王燕,方景林.過程檢測與控制[M].北京:清華大學出版社, 2006:51-54.

[2]申榮華,張永德,周元康,等.旋轉活塞流量計計量室的密封設計[J].貴州工業大學學報(自然科學版),2001(04):4-6.

[3]王福瑞.模擬信號處理[M].北京:中國電力出版社,2005:226-228.

[4]張立民.關于旋轉活塞流量計的研究[J].自動化與儀表,1990(01):11-14.