无压变量流量计的研究

裴翠萍　王琨琦

【摘 要】无压变量流量计是一种新型流量计，该流量计采用电机带动椭圆齿轮流量计进行测量，并将流量计和液位计复合，来实现小流量和微小流量的测量。该方案解决了传统流量计无法在低压力差下对微小流量测量的问题。

【关键词】椭圆齿轮流量计；液位计；电机；微小流量

0 引言

近年来，随着精细化工、医药工程等行业的兴起，以及工农业生产中对节能环保、自动化控制要求的日益提高，微小流量的高精度、宽范围计量需求逐渐凸显[1-2]。在研究农作物光合作用时的水肥利用效率时，需要测量土壤中水分的流失流量，该流量介于小流量和微流量之间，由于流量范围较大，而瞬时流量有时及其微小，压力差非常小。而在现有的流量计当中，满足此要求的流量计是没有的，因此研究一种新型的微小流量计迫在眉睫。

本文提出了一种无压变量流量计，它是基于单片机的椭圆齿轮流量计和液位计的复合来实现对微小流量计的测量。利用椭圆齿轮流量计精度高、测量范围广，来实现小流量和微小流量的测量。椭圆齿轮流量计是靠进出口的压力差来工作，但是在水分流失中，压力差非常小，为解决这一问题，我们采用步进电机带动椭圆齿轮流量计转动，来实现流量的测量。为解决电机带动齿轮空转问题，设计了用电容液位计监测液位，并将液位信号传给单片机，通过软件设计控制电机的转动。

1 微小流量计的泄露分析

流量计的内泄漏是是影响流量计测量精度的最重要因素。对于通常的而言，泄漏主要包括内泄露与外泄漏两个部分。其中，外泄漏是指液压系统中工作液体从高、低压腔流到大气的泄漏，一般是不允许的；而内泄漏通常是指液压元件内部少量工作液体从高压腔流到低压腔的泄漏。

对于本课题所研究的椭圆齿轮流量计，外泄漏是通过布置于壳体上密封槽中的o型密封圈密封实现。内泄露是通过流量计转子之间的缝隙和转子与端盖之间的缝隙直接从进液口到出液口而没有经过计量腔的部分流体体积，主要包括从转子端面与上下端盖之间间隙通过的端面间隙泄漏以及从两转子啮合间隙以及转子齿顶与壳体之间配合间隙通过的径向间隙泄漏两个部分[3]。

对于端面间隙泄漏，其泄漏示意如图1所示。转子与上下端盖之间存在间隙a和b，液体从该间隙的泄漏相当于两个平行圆盘间的泄漏。对于椭圆齿轮流量计而言，由于内转子是作圆周运动，粘附流动既造成高压侧向低压侧的泄漏，又造成低压侧向高压侧的泄漏，故基本可以忽略不计。因此端面间隙泄漏的主要方式是压差泄漏，由于转子与上下端盖间的间隙相对于转子生径非常微小，故此缝隙中的流动可以用平行平板间缝隙流的模型进行模拟，其模型如图2所示。

于是，单位宽度缝隙中所通过的流量值为：

根据上式可知，断面间隙泄露与间隙高度的三次方成正比，与间隙两侧的压差成正比且与油液粘度成反比。

对于给定的流量计，它产生漏流的间隙是一定的，我们要测定的液体的粘度也是一定的，流量计的漏流量仅与间隙两侧的压力差有关系。为了能够精密测量，研制了主动复合式微小流量。其工作原理是：流量计的运动部件不靠进出口的压力差为动力，而是直接由电机带动。在整个过程中，力图保持流量计进出口的压力差为零，使漏流量减少到最小。从原理上讲，不论用于什么流体，都没有漏流。

2 无压变量流量计的结构设计

该微小流量计主要包括一个电容式液位计，一个步进电机，一个节流阀和椭圆齿轮流量计。如图3所示，电容式液位计放入左边管道，当液位计的高度超50mm，单片机会发出脉冲，启动电机，将液体通过椭圆齿轮流量计排出去。当液位低于50mm时，电机不会转动，而椭圆齿轮流量计是靠进出口的压力差来工作的，但是我们的液体的压力差特别小，不足以让椭圆齿轮流量计工作，电机又不转动，液体也就自然排不出去了，而在此时我们的这种方案依旧能显示出瞬时流量和累积流量，这时主要靠的是液位计的高度变化并通过相关公式来计算并能能准确的反映出每个阶段的瞬时流量和累积流量。这种主动复合式微小流量的结构简单，不仅能通过液位计计算出微小流量，还能通过步进电机带动椭圆齿轮流量计解决压差问题，使椭圆齿轮流量计在压力差几乎为零的情况下也能工作，除此之外，椭圆齿轮流量计与液位计的复合，不仅可以测小流量和微小流量，还可以测断续式的流量。

3 结论

采用基于单片机的主动式椭圆齿轮流量计与液位计复合的方法，实现了对土壤中流失流量测量。利用椭圆齿轮流量计的精度高、测量范围广，来实现对微流量和小流量的测量。为克服压力差，采用用步进电机带动椭圆齿轮流量计，这种方法可以保持流体进出口的压力差为零，使漏流量减到最小，增加了此流量计的精度。为防止电机带动齿轮空转，并能同时对管道内微小流量测量和由电机转动椭圆齿轮流量计的排出流量进行测量，采用电容式液位计，它不仅可以监测液位的变化来控制电机的转动，还可以测量流量。

【参考文獻】

[1]川田裕郎，小官勤一，山崎宏郎.流量测量手册[M].北京：计量出版社，1987.

[2]蔡武昌.微小流量仪表性能及其应用[J].石油化工自动化，2009， 45（4）：1-5.

[3]袁文华，鄂加强，龚金科，等.柴油机油耗量椭圆齿轮智能测量模型[J].农业机械学报，2006，37（7）：39-41.

[责任编辑：田吉捷]