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合，來實現小流量和微小流量的測量。該方案解決了傳統流量計無法在低壓力差下對微小流量測量的問題。

【關鍵詞】橢圓齒輪流量計；液位計；電機；微小流量

0 引言

近年來，隨著精細化工、醫藥工程等行業的興起，以及工農業生產中對節能環保、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。而在現有的流量計當中，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合來實現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動，來實現流量的測量。為解決電機帶動齒輪空轉問題，設計了用電容液位計監測液位，并將液位信號傳給單片機，通過軟件設計控制電機的轉動。

1 微小流量計的泄露分析

流量計的內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，泄漏主要包括內泄露與外泄漏兩個部分。其中，外泄漏是指液壓系統中工作液體從高、低壓腔流到大氣的泄漏，一般是不允許的；而內泄漏通常是指液壓元件內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。內泄露是通過流量計轉子之間的縫隙和轉子與端蓋之間的縫隙直接從進液口到出液口而沒有經過計量腔的部分流體體積，主要包括從轉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子嚙合間隙以及轉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，由于內轉子是作圓周運動，粘附流動既造成高壓側向低壓側的泄漏，又造成低壓側向高壓側的泄漏，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，由于轉子與上下端蓋間的間隙相對于轉子生徑非常微小，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的壓力差有關系。為了能夠精密測量，研制了主動復合式微小流量。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構設計

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，當液位計的高度超50mm，單片機會發出脈沖，啟動電機，將液體通過橢圓齒輪流量計排出去。當液位低于50mm時，電機不會轉動，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公式來計算并能能準確的反映出每個階段的瞬時流量和累積流量。這種主動復合式微小流量的結構簡單，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合，不僅可以測小流量和微小流量，還可以測斷續式的流量。

3 結論

采用基于單片機的主動式橢圓齒輪流量計與液位計復合的方法，實現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，并能同時對管道內微小流量測量和由電機轉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，它不僅可以監測液位的變化來控制電機的轉動，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].農業機械學報，2006，37（7）：39-41.

[責任編輯：田吉捷]