無壓變量流量計的研究
無壓變量流量計的研究
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(jìn)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。
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(jìn)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(jìn)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***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(jìn)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(jìn)行模擬，其模型如圖 2 所示。
該微小流量計主要包括一個電容式液位計，一個步進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)電機帶動橢圓齒輪流量計，這種方法可以保持流體進(jìn)出口的壓力差為零，使漏流量減到***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(jìn)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。