無(wú)壓變量流量計(jì)的研究

無(wú)壓變量流量計(jì)是一種新型流量計(jì)，該流量計(jì)采用電機(jī)帶動(dòng)橢圓齒輪流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量，并將流量計(jì)和液位計(jì)復(fù)合，來(lái)實(shí)現(xiàn)小流量和微小流量的測(cè)量。 該方案解決了傳統(tǒng)流量計(jì)無(wú)法在低壓力差下對(duì)微小流量測(cè)量的問(wèn)題。

0.引言

近年來(lái)，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(duì)節(jié)能環(huán)保、自動(dòng)化控制要求的日益提高，微小流量的高精度、寬范圍計(jì)量需求逐漸凸顯 [1-2]。 在研究農(nóng)作物光合作用時(shí)的水肥利用效率時(shí),需要測(cè)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(shí)流量有時(shí)及其微小,壓力差非常小。 而在現(xiàn)有的流量計(jì)當(dāng)中，滿足此要求的流量計(jì)是沒(méi)有的，因此研究一種新型的微小流量計(jì)迫在眉睫。

本文提出了一種無(wú)壓變量流量計(jì)，它是基于單片機(jī)的橢圓齒輪流量計(jì)和液位計(jì)的復(fù)合來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)微小流量計(jì)的測(cè)量。 利用橢圓齒輪流量計(jì)精度高、測(cè)量范圍廣，來(lái)實(shí)現(xiàn)小流量和微小流量的測(cè)量。 橢圓齒輪流量計(jì)是靠進(jìn)出口的壓力差來(lái)工作，但是在水分流失中，壓力差非常小，為解決這一問(wèn)題，我們采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)橢圓齒輪流量計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)流量的測(cè)量。 為解決電機(jī)帶動(dòng)齒輪空轉(zhuǎn)問(wèn)題，設(shè)計(jì)了用電容液位計(jì)監(jiān)測(cè)液位，并將液位信號(hào)傳給單片機(jī)，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.微小流量計(jì)的泄露分析

流量計(jì)的內(nèi)泄漏是是影響流量計(jì)測(cè)量精度的***重要因素。 對(duì)于通常的而言，泄漏主要包括內(nèi)泄露與外泄漏兩個(gè)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(duì)于本課題所研究的橢圓齒輪流量計(jì)，外泄漏是通過(guò)布置于殼體上密封槽中的 o 型密封圈密封實(shí)現(xiàn)。 內(nèi)泄露是通過(guò)流量計(jì)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(méi)有經(jīng)過(guò)計(jì)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(guò)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(guò)的徑向間隙泄漏兩個(gè)部分[3]。

對(duì)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(gè)平行圓盤(pán)間的泄漏。 對(duì)于橢圓齒輪流量計(jì)而言，由于內(nèi)轉(zhuǎn)子是作圓周運(yùn)動(dòng)，粘附流動(dòng)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(jì)。 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(duì)于轉(zhuǎn)子生徑非常微小，故此縫隙中的流動(dòng)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(jì)主要包括一個(gè)電容式液位計(jì)，一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，一個(gè)節(jié)流閥和橢圓齒輪流量計(jì)。 如圖 3 所示，電容式液位計(jì)放入左邊管道，當(dāng)液位計(jì)的高度超 50mm，單片機(jī)會(huì)發(fā)出脈沖，啟動(dòng)電機(jī)，將液體通過(guò)橢圓齒輪流量計(jì)排出去。 當(dāng)液位低于 50mm 時(shí)，電機(jī)不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，而橢圓齒輪流量計(jì)是靠進(jìn)出口的壓力差來(lái)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(jì)工作，電機(jī)又不轉(zhuǎn)動(dòng)，液體也就自然排不出去了，而在此時(shí)我們的這種方案依舊能顯示出瞬時(shí)流量和累積流量，這時(shí)主要靠的是液位計(jì)的高度變化并通過(guò)相關(guān)公式來(lái)計(jì)算并能能準(zhǔn)確的反映出每個(gè)階段的瞬時(shí)流量和累積流量。這種主動(dòng)復(fù)合式微小流量的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不僅能通過(guò)液位計(jì)計(jì)算出微小流量，還能通過(guò)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)橢圓齒輪流量計(jì)解決壓差問(wèn)題，使橢圓齒輪流量計(jì)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(jì)與液位計(jì)的復(fù)合，不僅可以測(cè)小流量和微小流量，還可以測(cè)斷續(xù)式的流量。

3.結(jié)論

采用基于單片機(jī)的主動(dòng)式橢圓齒輪流量計(jì)與液位計(jì)復(fù)合的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)土壤中流失流量測(cè)量。 利用橢圓齒輪流量計(jì)的精度高、測(cè)量范圍廣，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)微流量和小流量的測(cè)量。 為克服壓力差，采用用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)橢圓齒輪流量計(jì)，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(jì)的精度。 為防止電機(jī)帶動(dòng)齒輪空轉(zhuǎn)，并能同時(shí)對(duì)管道內(nèi)微小流量測(cè)量和由電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)橢圓齒輪流量計(jì)的排出流量進(jìn)行測(cè)量，采用電容式液位計(jì)，它不僅可以監(jiān)測(cè)液位的變化來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，還可以測(cè)量流量。