（机械电子工程专业论文）耐高压双向椭圆齿轮流量计二次仪表的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 椭圆齿轮流量计由于精度高、安装简单、性能稳定和重复性良好等优点而被 广泛应用于石油、化工和液压等行业中。但是，目前国内能够生产的椭圆齿轮流 量计因不耐高压都只能应用于低压场合，高压测量场合只能依赖于国外进口的耐 高压流量计。因此，耐高压椭圆齿轮流量计的研究，有助于拓展国内椭圆齿轮流 量计的应用场合，促进国内流量计量的发展。 在综合国内外文献资料的基础上，对流量计分类及工作原理进行了论述，着 重探讨了椭圆齿轮流量计的工作原理、典型结构以及优、缺点，并总结了流量计 二次仪表的分类和发展趋势。分析了耐高压双向椭圆齿轮流量计的结构，结合厂 家的要求，提出了无c p u 二次仪表的结构方案，采用测周期法测量流量，通过 e p r o m 编程实现乘法和除法运算并以b c d 码存储和输出数据，采用电平检测 法判别流向，分别设计了二次仪表的各个功能模块，详细介绍了其组成及工作原 理，通过电路仿真分析了同步计数器级联电路、控制脉冲生成电路和流向判别等 电路的特性。最后研制出二次仪表，设计了实验系统对二次仪表性能进行了实验 测试，实验表明：该二次仪表响应快，线性度好，能辨别流向，显示量程比达到 1 0 0 0 ，并且流量可以通过e p r o m 的固化程序进行补偿。 有关各章内容分述如下： 第一章，在综合国内外文献资料的基础上，对流量计分类及工作原理进行了 论述，着重探讨了椭圆齿轮流量计的工作原理、典型结构以及优、缺点，并总结 了流量计二次仪表的分类和发展趋势； 第二章，分析了新型耐高压双向椭圆齿轮流量计的整体结构和传感器结构， 并对传感器检测元件进行了选型： 第三章，在霍尔传感器检测流量信号的基础上，对流量计的流量测量及流向 判另进行了理论分析； 第四章，提出了无c p u 二次仪表结构方案，设计和研制出耐高压双向椭圆 齿轮流量计二次仪表，分别介绍了各个功能模块的组成及工作原理，并进行了电 路仿真； 第五章，设计和搭建实验系统，测试了耐高压双向椭圆齿轮流量计二次仪表 的性能。 关键词：椭圆齿轮流量计；耐高压双向椭圆齿轮流量计；二次仪表；霍尔传感器 流量测量：流向判别；基准波：控制脉冲；e p r o m 。 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t e l l i p t i c a lg e a rf l o w m e t e ri sw i d c l yu s e d i np e t r o l e u mi n d u s t r y , c h e m i c a l i n d u s t r ya n dh y d r a u l i ci n d u s t r yd u et oi t sa d v a n t a g e ss u c h 髂h i g hp r e c i s i o n ，s i m p l e i n s t a l l a t i o n , s t a b l ep e r f o r m a n c ea n de x c e l l e n tr e p e a t a b i l i t y b u tt h ee l l i p t i c a lg e a r f l o w m e t e r sm a d ei nc h i n ac a nb eu s e do n l yi nl o wp r e s s u r es i t u a t i o na tp r e s e n t b e c a u s et h e yd o n te n d u r eh i 啦p r e s s u r e ，t h u sw eh a v en oc h o i c eb u tt ou s et h el l i g l l p r e s s u r ef l o w m e t e r si m p o r t e di nh i 9 1 lp r e s s u r es i t u a t i o n t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho n h i 出p r e s s u r ee l l i p t i c a lg e a rf l o w m e t e rw i l lb ec o n d u c i v et ow i d e nt h ea p p l i c a t i o no f e l l i p t i c a lg e a rf l o w m e t e ra n dp r o m o t et h ed e v e l o p m e n to f f l o wm e t r o l o g yi nc h i n a c o m b i n i n gw i t h d o m e s t i ca n df o r e i g nf i t e r a t u r e s ，t h et h e s i s d i s c u s s e st h e c l a s s i f i c a t i o na n do p e r a t i n gp r i n c i p l eo ff l o w m e t e r , e m p h a s i z e so nd i s c u s s i o no ft h e o p e r a t i n gp r i n c i p l e ，t y p i c a ls t r u c t u r e ，a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fe l l i p t i c a lg e a r f l o w m e t e ra n ds u m m a r i z e st h ec l a s s i f i c a t i o na n dd e v e l o p m e n tt r e n do ft h es e c o n d a r y i n s t r u m e n to ff l o w m e t e r a n a l y z i n gt h es t r u c t u r eo fh i g hp r e s s u r eb i d i r e c t i o n a l e n i p t i c a lg e a rf l o w m e t e ra n dc o n s i d e r i n g t h er e q u i r e m e n t so fm a n u f a c t u r e r , a s t r u c t u r a ld e s i g no fs e c o n d a r yi n s t r u m e n tw i t hn oc p ui sp u tf o r w a r d t h ed e s i g n a d o p t st h em e a s u r e m e n tp e r i o dm e t h o dt om e a s u r ef l o w , r e a l i z e sm u l t i p l i c a t i o na n d d i v i s i o no p e r a t i o nb yp r o g r a m m i n gt h ee p r o mw h i c hs t o r e sa n do u t p u t sd a t ai n b c dc o d e ，a n da d o p t st h em e t h o do fd e t e c t i n ge l e c t r i c a ll e v e lt oj u d g et h ed i r e c t i o n o ff l o w t h ef o l l o w i n gr e s e a r c hw o r k i st od e s i g nt h ef u n c t i o nm o d u l e so ft h e s e c o n d a r yi n s t r u m e n t ，i n t r o d u c et h e i rc o m p o s i t i o na n dw o r k i n gp r i n c i p l ei nd e t a i la n d a n a l y z e t h ec h a r a c t e r i s t i c so fc a s c a d e d s y n c h r o n o u s c o u n t e r s c i r c u i t ， c o n t r o l - p u l s e s - p r o d u c i n gc i r c u i ta n dd i r e c t i o n j u d g m e n tc i r c u i t f i n a l l y , t h es e c o n d a r y i n s t r u m e n ti sd e v e l o p e d ，a n de x p e r i m e n t a ls y s t e m sa r ed e s i g n e da n dc o n s t r u c t e dt o t e s tt h ef u n c t i o no fs e c o n d a r yi n s t r u m e n t t h ee x p e r i m e n t a ls t u d i e ss h o w st h a tt h e s e c o n d a r yi n s t r u m e n tw o r k sw i t h f a s tt i m er e s p o n s e g o o d l i n e a r i t y a n db i g m e a s u r e m e n tr a n g er a t i ow h i c hr e a c h e s1 0 0 0 ，r e a l i z e st h ej u d g m e n to ff l o wd i r e c t i o n a n dc a l lc o m p e n s a t ef l o wb yf i r m w a r ei nt h ee p r o m t h em a i nc o n t e n to f e a c hc h a p t e ri sa sf o l l o w s ： i nc h a p t e rl ，b a s e do nt h ed o m e s t i ca n df o r e i g nl i t e r a t u r e s ，t h ec l a s s i f i c a t i o na n d o p e r a t i n gp r i n c i p l eo f t h ef l o w r a e t e ri si n t r o d u c e d ，a n dt h eo p e r a t i n gp r i n c i p l e ，t y p i c a l s t r u c t u r e ，a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f t h ee l l i p t i c a lg e a rf l o w m e t e ra r ed i s c u s s e d e l t l p h a s i z l y t h ec l a s s i f i c a t i o na n dd e v e l o p m e n tt r e n do ft h es e c o n d a r yi n s t r u m e n to f f l o w m e t e ri ss u m m a r i z e d 浙江大学硕士学位论文 i nc h a p t e r2 t h es 觚l c n l r eo ft h eh i g hp r e s s u r eb i - d i r e c t i o n a le l l i p t i c a lg e a r f l o w m e t e ra n ds e n s o ra r ea n g l e d t h et y p eo f t h ed e t e c t i n ge l e m e n ti ss e l e c t e d i nc h a p t e r3 ，b a s e do nt h ec o n d i t i o nt h a tt h ef l o ws i g n a li sd e t e c t e db y m a g n e t i c s e n s i n gs e n s o r , t h em e t h o d st om e a s u r ef l o wa n dj u d g et h ed i r e c t i o no f f l o w a l et h e o r e t i c a l l ya n g l e d i nc h a p t e r4 as t r u c t u r a ld e s i g no fs e c o n d a r yi n s t r u m e n tw i t hn oc p ui sp u t f o r w a r d t h es e c o n d a r yi n s t r u m e n to ft h eh i 曲p r e s s u r eb i - d i r e c t i o n a le l l i p t i c a lg e a r f l o w m e t e ri sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d t h ec o m p o s i t i o na n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fe a c h f u n c t i o nm o d u l eo ft h es e c o n d a r yi n s t r u m c n ta r ei n t r o d u c e d t h ec i r c u i t so ft h e f u n c t i o nm o d u l e sa l es i m u l a t e d i nc h a p t e r5 ，e x p e r i m e n t a ls y s t e m sa l ed e s i g n e da n dc o n s t r u c t e dt ot e s tt h e f u n c t i o no f s e c o n d a r yi n s t r u m e n t k e yw o r d s ：e l l i p t i c a lg e a rf l o w m e t e r ；h i g hp r e s s u r eb i - d i r e c t i o n a le l l i p t i c a lg e a r f l o w m e t e r ；s e c o n d a r yi n s t r u m e n t ；m a g n e t i c - s e n s i n gs e n s o r ；f l o wm e a s u r e m e n t ； j u d g m e n to f f l o wd i r e c t i o n ；r e f e r e n c ep u l s e ；c o n t r o lp u l s e s ；e p r o m i 学号2 笾q 昼! 垒! 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘茎或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：倘、裂鬯签字日期押7年口7 月，夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解滥姿盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权迸江盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名侮袭、逐导师签名了仡 签字嗍岬年口7 月，7 日 签字嗍岬年7 月f _ 7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 介绍了流量概念和流量计的分类及原理，着重介绍了椭圆齿轮流量计的工作 原理、结构和特，最，并简述了流量计二次仪表的分类及发展趋势；简要说明了本 课题的研究意义和主要研究内容。 1 1 流量及流量计概述 在工业生产，科学实验、能源计量、交通运输以及社会生活等与人类发展密 切相关的领域中，流量是需要经常测量和控制的重要参数之一。因其重要性，流 量和压力、温度并列为三大检测参数。【m 1 流量是指在时间t 内流过管道或明渠某断面的介质体积或质量数。通常前者 为体积流量，后者为质量流量。流量又分为瞬时流量和累积流量： 3 - 4 瞬时流量是指在短暂时间内流过某一通流截面的流体数量与通过时间之比， 表示为： q ：华：v a 单位：m 3 s( 1 1 ) a t 绒：掣：p v a单位：k 曲 ( 1 - 2 ) a t 累积流量是指在某段时间内流过某一通流截面的流体体积或质量总量，表示 为： v = 【q v d t 单位：一 ( 1 - 3 ) m = f q m d t 单位：k g ( 1 - 4 ) 测量流量的仪表叫做流量计。在i s a ( 美国仪器协会) 5 1 1 ( 1 9 7 6 ) 文件中 给出的标准定义如下： 流量计在一个敞开或封闭的管道中测量流动流体的流量或总量的仪表， 它通常包括一个一次装置和一个二次仪表。 流量计的一次装置安装在流体管道内部或外部的一种装置，它根据有关 流体与存在的一次装置相互作用关系的已知物理定律，产生一种与流体流量有明 确关系的信号。 流量计的二次仪表能对一次装置发来的信号作出反应，并将它转换成能 说明流量( 或总量) 的显示信号( 或输出信号) 的仪表。【5 1 流量计的种类繁多，至今为止，可供工业用的流量仪表达6 0 种之多。目前， 流量计常见的分类方法有：【6 】 浙江大学硕士学位论文 一、按测量原理分类 ( 1 ) 力学原理：属于此类原理的仪表有利用伯努利定理的差压式、转子式； 利用动量定理的冲量式、可动管式；利用牛顿第二定律的直接质量式；利用流体 动量原理的靶式；利用角动量定理的涡轮式；利用流体振荡原理的旋涡式、涡街 式；利用总静压力差的皮托管式、容积式和槽式等等。 ( 2 ) 电学原理：用于此类原理的仪表有电磁式、差动电容式、电感式、应 变电阻式等。 ( 3 ) 声学原理：利用声学原理进行流量测量的有超声波式和声学式( 冲击波 式) 等。 ( 4 ) 热学原理：利用热学原理测量流量的有热量式、直接量热式、间接量 热式等。 ( 5 ) 光学原理：激光式、光电式等是属于此类原理的仪表。 ( 6 ) 原子物理原理：核磁共振式、核辐射式等是属于此类原理的仪表。 ( 7 ) 其它原理：有标记原理( 示踪原理、核磁共振原理) 和相关原理等。1 7 州 二、按流量计结构原理分类 按当前流量计产品的实际情况，根据流量计的结构原理，大致上可归纳为以 下几种类型： 1 容积式流量计 容积式流量计又称定排量流量计( p o s i t i v ed i s p l a c e m e n tf l o w m e t e r ) ，简称p d 流量计或者p d f ，其相当于一个标准容积的容器，它接连不断地对流动介质进行 度量，流量越大，度量的次数越多，输出的频率越高。容积式流量计的原理比较 简单，适于测量高粘度、低雷诺数的流体。根据回转体形状不同，目前生产的产 品分：适于测量液体流量的椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、旋转活塞和刮板式流 量计；适于测量气体流量的伺服式容积流量计、皮膜式和转筒流量计等。f l o - r 3 2 叶轮式流量计 叶轮式流量计的工作原理是将叶轮置于被测流体中，受流体流动的冲击而旋 转，以叶轮旋转的快慢来反映流量的大小。典型的叶轮式流量计是水表和涡轮流 量计，其结构可以是机械传动输出式或电脉冲输出式。一般机械式传动输出的水 表准确度较低，误差约2 9 6 ，但结构简单，造价低，国内已批量生产，并标准化、 通用化和系列化。电脉冲信号输出的涡轮流量计的准确度较高，一般误差为 o 2 - 0 5 。1 1 4 - 1 5 1 3 差压式流量计( 变压降式流量计) 差压式流量计由一次装置和二次装置组成。一次装置称流量测量元件，它安 装在被测流体的管道中，产生与流量( 流速) 成比例的压力差，供二次装置进行流 量显示。二次装置称显示仪表，它接收测量元件产生的差压信号，并将其转换为 浙江大学硕士学位论文 相应的流量进行显示。差压流量计的一次装置常为节流装置或动压测定装置( 皮 托管、均速管等) 。二次装置为各种机械式、电子式、组合式差压计配以流量显 示仪表。差压计的差压敏感元件多为弹性元件。由于差压和流量呈平方根关系， 故流量显示仪表都配有开平方装置，以使流量刻度线性化。多数仪表还设有流量 积算装置，以显示累积流量，以便经济核算。这种利用差压测量流量的方法历史 悠久，比较成熟，世界各国一般都用在比较重要的场合，约占各种流量测量方式 的7 0 。发电厂主蒸汽、给水、凝结水等的流量测量都采用这种表计。目前生产 的产品分：孔板流量计、楔形流量计、文丘里管流量计、平均皮托管。0 6 - 1 8 j 4 变面积式流量计( 等压降式流量计) 放在上大下小的锥形流道中的浮子受到自下而上流动的流体的作用力而移 动。当此作用力与浮子的“显示重量”( 浮子本身的重量减去它所受流体的浮力) 相平衡时，浮子即静止。浮子静止的高度可作为流量大小的量度。由于流量计的 通流截面积随浮子高度不同而异，而浮子稳定不动时上下部分的压力差相等，因 此该类型流量计称为变面积式流量计或等压降式流量计，其典型仪表是浮子流量 计。【1 9 - 2 0 5 动量式流量计 利用测量流体的动量来反映流量大小的流量计称动量式流量计。由于流动流 体的动量p 与流体的密度及流速v 的平方成正比，即p 。cv 2 ，当通流截面确定时， v 与容积流量q 成正比，故p q 2 ，因此，测得p ，即可反映流量q 。这种型式 的流量计，大多利用检测元件把动量转换为压力、位移或力等，然后测量流量。 这种流量计的典型仪表是靶式和转动翼板式流量计。1 2 1 - 2 3 1 6 冲量式流量计 利用冲量定理测量流量的流量计称冲量式流量计，多用于测量颗粒状固体介 质的流量，还用来测泥浆、结晶型液体和研磨料等的流量。流量测量范围从每小 时几公斤到近万吨。典型的仪表是水平分力式冲量流量计，其测量原理是当被测 介质从一定高度h 自由下落到有一倾斜角的检测板上产生一个冲力，冲力的水平 分力与质量流量成正比，故测量这个水平分力即可反映质量流量的大小。按信号 的检测方式，该类型流量计分位移检测型和直接测力型。【2 4 j 7 电磁流量计 电磁流量计是应用导电体在磁场中运动产生感应电动势，而感应电动势又和 流量大小成正比，通过测电动势来反映管道流量的原理而制成的。其测量精度和 灵敏度都较高。工业上多用以测量水、矿浆等介质的流量，可测最大管径达2 m ， 而且压损极小，但导电率低的介质，如气体、蒸汽等则不能应用。 电磁流量计造价较高，且信号易受外磁场干扰，影响了在工业管流测量中的 广泛应用。为此，产品在不断改进更新，向微机化发展。f 2 ”s 】 浙江大学硕士学位论文 8 超声波流量计 超声波流量计是基于超声波在流动介质中传播的速度等于被测介质的平均 流速和声波本身速度的几何和的原理而设计的。它也是由测流速来反映流量大小 的。超声波流量计虽然在7 0 年代才出现，但由于它可以制成非接触型式，并可 与超声波水位计联动进行开口流量测量，对流体又不产生扰动和阻力，所以很受 欢迎，是一种很有发展前途的流量计。 2 9 - 3 0 超声波流量计又分为多谱勒式超声波流量计和时差式超声波流量计： ( 1 ) 多谱勒式超声波流量计：换能器1 发射频率为f l 的超声波信号，经过 管道内液体中的悬浮颗粒或气泡后，频率发生偏移，以f 2 的频率反射到换能器 2 ，f 2 与f 1 之差即为多谱勒频差f d 。设流体流速为v ，超声波声速为c ，多谱勒 频移f d 正比于流体流速v 。当管道条件、换能器安装位置、发射频率、声速确 定以后，c 、f l 、o 即为常数，流体流速和多谱勒频移成正比，通过测量频移就 可得到流体流速，进而求得流体流量。 ( 2 ) 时差式超声波流量计：时差式超声波流量计是利用声波在流体中顺流 传播和逆流传播的时间差与流体流速戍正比这一原理来测量流体流量的。1 3 t - 3 2 1 9 流体振荡式流量计 流体振荡式流量计是利用流体在特定流道条件下流动时将产生振荡，且振荡 的频率与流速成比例这一原理设计的。当通流截面一定时，流速与导容积流量成 正比。因此，测量振荡频率即可测得流量。这种流量计是7 0 年代开发和发展起 来的，由于它兼有无转动部件和脉冲数字输出的优点，很有发展前途。目前典型 的产品有涡街流量计和旋进旋涡流量计。1 3 3 - 3 6 1 ， 1 0 质量流量计 由于流体的容积受温度、压力等参数的影螭，用容积流量表示流量大小时需 给出介质的参数。在介质参数不断变化的情况下，往往难以达到这一要求，而造 成仪表显示值失真。因此，质量流量计就得到广泛的应用和重视。质量流量计分 直接式和间接式两种：直接式质量流量计利用与质量流量直接有关的原理进行测 量，目前常用的有量热式、角动量式、振动陀螺式、马格努斯效应式和科里奥利 力式等质量流量计；间接式质量流量计是用密度计与容积流量直接相乘求得质量 流量的。1 3 7 - 4 2 1 1 l 明渠流量计 与箭述几种不同，它是在非满管状敞开渠道测量自由表面自然流的流量仪 表。非满管态流动的水路称作明渠，测量明渠中水流流量的称作明渠流量计( o p e n c h a n n e lf l o v n n e t e r ) 。明渠流量计除圆形外，还有u 字形、梯形、矩形等多种形 状。明渠流量计应用场所有城市供水引水渠：火电厂引水和排水渠、污水治理流 入和排放渠：工矿企业水排放以及水利工程和农业灌溉用渠道。 4 3 埘l 4 浙江大学硕士学位论文 1 2 静电流量计( e l e c t r o s t a t i cf l o w m e t e r ) 日本东京技术学院研制出适用于石油输送管线低导电液体流量测量的静电 流量计。静电流量计的金属测量管绝缘地与管系连接，测量电容器上静电荷便可 知道测量管内的电荷。他们分别作了内径为4 8 嘞的铜、不锈钢等金属和塑料 测量管仪表的实流试验，试验表明流量与电荷之间接近于线性。 此外，还有适用于大口径测流的插入式流量计；测量层流流量的层流流量计： 适用于二相流测量的相关法流量计；以及激光法、核磁共振法流量计和多种示踪 法、稀释法流量计。1 4 5 4 6 】 1 2 椭圆齿轮流量计 容积式流量计与差压式流量计、浮子流量计并列为三类使用量最大的流量计。 常应用于昂贵介质( 油品、天然气等) 的总量测量。椭圆齿轮流量计是容积式流量 计中市场占有份额比较大的一种通用流量计，在我国，椭圆齿轮流量计约占容积 式流量计7 0 的份额。 椭圆齿轮流量计，顾名思义，其内部转子为两个椭圆齿轮。椭圆齿轮流量计 广泛应用在液压系统和石油化工行业中。 1 2 1 椭圆齿轮流量计工作原理 椭圆齿轮流量计的测量部分主要由两个相互啮合的椭圆齿轮及其外壳( 计量 室) 所构成，椭圆齿轮流量计计量部分从原理上讲是一台从流体中吸收少量能量 的液力发动机，这个能量用来克服流量检测元件和附件转动的摩擦力，同时在仪 表流入和流出两端形成压降。 椭圆齿轮流量计的工作原理如图卜1 所示： 图1 - 1 椭圆齿轮流量计工作原理 两个椭圆齿轮a 、b 在进出口流体压力差p = p l p 2 ( p l p 2 ) 的作用下，交 替地相互驱动，并各自绕轴作非匀角速度的转动，在转动过程中连续不断地将充 满在齿轮与壳体之自j 的固定容积内的流体一份份地排出： 浙江大学硕士学位论文 ( 1 ) a 位置时，齿轮b 在压差a p 作用下，产生逆时针方向旋转力矩，为主 动轮；齿轮a 因压力产生的逆时针旋转力矩和顺时针旋转力矩相等，所以为从动 轮，由齿轮b 带动，顺时针方向旋转。 ( 2 ) b 位置时。两个齿轮均在压差a p 作用下产生旋转力矩，继续旋转。 ( 3 ) c 位置时，齿轮a 变为主动轮，齿轮b 变为从动轮，继续旋转。 ( 4 ) d 位置时，齿轮a 继续驱动齿轮b 转动，当转到与a 相同的位置时， 完成一个循环。 这样，一次循环动作排出四个由齿轮与壳壁问围成的新月形空腔的流体体 积，该体积称为流量计的“循环体积”。设流量计的循环体积为v 。，若一定时间 内齿轮转动的次数为n ，则在该时间内流过流量计的流体体积v 可表示为： v = n v o( 1 5 ) 1 2 2 椭圆齿轮流量计结构特点 传统椭圆齿轮流量计的结构由计量室、密封联接和积算计数三部分组成，如 图卜2 所示： 溺壁郁积笪都 _ 。_ - _ - - _ _ - _ _ _ ，、- _ - _ _ - - _ 一j 。_ ，、，_ _ - - _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ - 、- - _ _ _ _ - - _ - _ _ _ - _ _ 、 k v j 。、，_ 。、v 。 孙德摹究艨狰发信嚣 指示蓑头 图l - 2 椭圆齿轮流量计构造框图 计量部分是流量计的核心，一般由三个部分组成：计量室( 在壳体上) 、椭圆 齿轮以及计量室盖。这三者之间构成的几何空间就决定了该椭圆齿轮掠量计的基 本排量。 密封连接部分的作用是将椭圆齿轮的转动传给表头，并且防止流体进入表 头。目前常用的密封连接机构有两种：( 1 ) 出轴密封机构：转动阻力矩比较大， 只适合于大口径流量计用；( 2 ) 磁钢联接机构：转动阻力矩比较小，适合于中， 小口径流量计用。 6 浙江大学硕士学位论文 积算部分在表头，目前应用得比较多的结构为：表头中有一组轮系，其作用 是将椭圆齿轮流量计的基本排量数值通过轮系的传动比圆整为一个计量单位，可 以供累计流量总量使用；同时轮系中还设有一对可以任意更换的调整齿轮( 也称 修正齿轮) 供仪表校验时选用适当的速比，从而使仪表的读数与实际值尽量接近， 达到应有的计量精度。 表头中的计数机构一般采用十进制机械计数器、指针或者数字仪表来显示流 过仪表的液体流量。同时还可以设计信号转换器，将流量信号进行远距离输送， 供二次仪表或者计算机使用。 、 1 2 。3 椭圆齿轮流量计的优缺点 相对于其它的流量计，椭圆齿轮流量计的优点为： ( 1 ) 计量精度高： 这是椭圆齿轮流量计的最大优点，其基本误差一般为0 5 r ( 相对误差， 为绝对误差与被测量真值的比值) ，特殊的可以达到o 2 r 或更高； ( 2 ) 安装管道条件对计量精度没有影响： 椭圆齿轮流量计在旋转流和管道阻流件流速场突变时对计量精确度没有影 响，没有前置直管段要求，这一点在现场使用中有重要的意义： ( 3 ) 可用于高粘度液体的测量： 椭圆齿轮流量计对流体粘度不敏感，可以用于高粘度流体的测量： ( 4 ) 范国度宽： 量程比宽，一般可以达到1 0 ：1 ，特殊的可以达到3 0 ：l 或更大； ( 5 ) 直读式仪表，无需外部能源可直接获得累计总量，清晰明了，操作简 便。 但是，椭圆齿轮流量计也存在不少缺点： ( 1 ) 结构相对复杂，体积庞大； ( 2 ) 被测介质种类、口径、介质工作状态局限性较大； ( 3 ) 不适用于高、低温场合： 由于高温下零件的热膨胀、变形以及低温下材质变脆等问题，一般使用范围 都在一3 0 + 1 6 矿c ； ( 4 ) 大部分仪表只适用于洁净单相流体： ( 5 ) 产生噪声及振动： 由于椭圆齿轮啮合点即节点在两个椭圆齿轮的轴心的连线上来回移动，所以 其传动比不是个固定值。由于转动不等速，液体流过仪表时就会形成脉动，大 流量时还会产生较大噪声，甚至管道产生振动。【4 似8 l 7 浙江大学硕士学位论文 1 3 流量计二次仪表的发展现状 从i s a ( 美国仪器协会) 对流量计的定义知，流量计的二次仪表是能对一次 装置发来的信号作出反应，并将它转换成能说明流量或总量的显示信号或输出信 号的仪表。二次仪表可能包括一个或几个单元，如记录仪、指示仪和积算仪等。 随着检测技术、电子技术和计算机技术的发展，流量计二次仪表不断取得进展和 完善。 由于流量计种类繁多，对应的二次仪表的类型也很多，因此无法对二次仪表 进行严格的分类，仅从其硬件结构、工作方式及发展历程的角度进行归纳，目前 常见的二次仪表有以下几种： 4 9 - 5 3 1 ( 1 ) 机械式： 早期传统的齿轮流量计中，这种二次仪表较为常见。 图1 3 为某一椭圆齿轮流量计二次仪表的工作原理图，其流量信号( 即椭圆 齿轮的旋转速度n ) 的显示，有就地显示和远传显示两种! 粕匠雷轮 指永 署一毋扣圆积算 图1 3 椭圆齿轮流量计流量信号就地显示和远传显示原理图 运学 就地显示是将齿轮转子的转动通过一系列的减速及调整转速比机构之后，直 接与仪表面板上的指示针相连，并经过机械式计数器进行总量的显示。其中包含 有两组齿轮：减速齿轮和调整齿轮，减速齿轮的作用是将椭圆齿轮流量计的基本 排量数值通过轮系的传动比圆整为一个计量单位，调整齿轮( 也称修正齿轮) 供仪 表校验时选用适当的速比，从而使仪表的读数与实际值尽量接近，达到应有的计 量精度。但是，仪表精度的误差往往是由于零件加工误差和装配不当所造成。调 整齿轮只能使仪表的误差曲线上、下平移，对线性误差本身的改善作用是非常有 限的。 s 浙江大学硕士学位论文 远传显示主要是通过减速后的齿轮带动永久磁铁旋转，使得弹簧继电器的触 点以与永久磁铁相同的旋转频率同步地闭合或断开，从而发出一个个电脉冲信号 远传给另一显示仪表。 这种二次仪表的特点是带有复杂的机械积算部分，体积较膨大，功能单一， 工作可靠。 ( 2 ) 数字式 数字式二次仪表，是通过集成数字电路实现流量信号的显示及转换等功能。 图l - 4 为某一叶轮式流量计的霍尔传感器检测示意图及结构框图，该流量计 的工作原理为：当流体冲击转子时，转子带动安装在其上的磁钢旋转，磁钢靠近 霍尔开关集成电路时，电路便输出一个脉冲，检测脉冲的数量即可测量出流量的 大小。流量的大小l 与霍尔开关传感器每秒输出的脉冲数n 成正比。 l - - c n( i - 6 ) 式中，c 为霍尔传感器检测比例常数。 霍尔开关集成电路选用u g n 3 0 0 0 系列元件，电路内有霍尔元件，放大器， 整形电路，集电极开路输出及稳压环节组成。 图1 4 霍尔传感器检测示意图( 左) 及结构框图( 右) 其二次仪表电路包括常数电路，计数器等，常数电路提供系数0 6 2 8 ( 假定 传感器检测比例常数c = 0 6 2 8 ) ，计数器计量0 6 2 8n 个脉冲，s 。 提供乘以o 6 2 8 系数是由i 0 6 2 8 = 1 5 9 分频电路组成的，使用c t l 2 9 0 或 s n 5 4 2 9 0 ，m c 7 4 2 9 0 等下r l 电路，由c t l 2 9 0 组成的m = 1 5 9 的分频器如图1 5 所示，图示电路的分频系数为1 1 5 9 - - 0 0 0 6 2 8 ，要变成6 2 8n 个脉冲s ，利用大规 模c m o s 计数器d n l 9 4 0 0 a 的计数闸门0 0 1s 档，可得到0 0 0 6 2 8n 个脉冲o 0 l s = o 6 2 8n 个脉冲s 。 9 浙江大学硕士学位论文 图1 - 5m = 1 5 9 的计数分频器电路 图i - 6 为计数电路，其中d n l 9 4 0 0 a 是大规模c m o s 集成计数器电路，共 4 0 个脚，它利用多路自动转换开关采用动态扫描显示方法。它有4 个位选输出 端子d 1 ，d 2 ，d 3 ，d 4 。高电平有效，当d i = i 时，d n l 9 4 0 0 a 输出对应于千位 的七段译码；d 2 = l 时输出百位的7 段译码，其余的d i ( i = 3 ，4 ) 依次类推。 图】- 6 计数电路图 显示器采用共阴极l e d 。当d i = i 时，晶体管v t l 导通，将l e d 显示器的 共阴极接地，a ，b ，c ，d ，e ，f ，g 各段码根据测量数值的大小。显示出 相应的千位数字。同理，当d 2 ，d 3 ，d 4 顺序地为1 时，将依次显示出百位， 十位，个位数字。 o 浙江大学硕士学位论文 d n l 9 4 0 0 a 有五档计数闸门，分别为0 o l s ，0 i s ，i s ，6 s ，6 0 s 。d n l 9 4 0 0 a 内含有振荡器，在其相应端子上只要接上电阻，晶体振荡器就可提供稳定的频率， 本电路选用3 2 7 6 8 晶振。 数字式的二次仪表的特点是采用了专门的检测传感器，省去了庞大的机械积 算部分，但是其电路硬件也较复杂，功能也较单一，其逐渐被性能更优越的智能 式仪表代替。【5 6 】 ( 3 ) 智能式 嵌入式计算机系统和流量计的紧密结合，使得流量计越来越智能化，功能越 来越强大，如图i - 7 是某一智能流量计二次仪表的硬件结构图： 图i - 7 智能流量计二次仪表的硬件结构图 该智能型流量计二次仪表的核心是一片m c s - 5 1 系列单片计算机8 0 3 2 ，它主要 控制着流量计采样信号的输入和运算结果的输出，并对多路输入信号和设定参数 进行综合的数学运算，得到多路流量通道的累计质量流量、瞬时质量流量、累计 体积流量、瞬时体积流量、温度、压力、密度、差压或频率等量的结果。 智能型流量计为单片计算机扩展了两片型号为2 7 6 4 的e p r o m 程序存储器，容 量共计1 6 k b ，用于存放控制流量计运行的所有程序，以及用于换算流体密度的常 数表格。 扩展了一片型号为6 2 6 4 、容量为8 k b 的r a m 芯片，作为计算机的外部数据存储 器，用于存放采样数据与运算结果，以及与运行有关的设定数据等。 8 2 3 2 芯片为可编程的定时计数器，本流量计一共扩展了两片。利用其中一 浙江大学硕士学位论文 片8 2 3 2 芯片的全部3 个计数器和另一片b 2 3 2 芯片的1 个计数器对流量计上4 个通道 输入的由传感器检测得到的频率信号时进行数字转换。由于频率信号有正弦波、 方波和锯齿波等形式，所以要先用施密特触发器对检测信号进行整形后，再送入 计数器。 8 1 5 5 芯片是一个可编程的带3 个并行输出输入接口、1 个1 4 位计数器和容量 为2 5 6 br 删的扩展电路。使用8 1 5 5 的计数器对单片计算机地址锁存信号a l e 进行 分频后，输出脉冲信号送入8 2 3 2 芯片的1 个计数器再次分频，最后产生频率为1 秒的脉冲信号，作为系统的计时时钟信号。 利用8 1 5 5 的a 口连接了一个双积分a d 转换芯片m c l 4 4 3 3 ，转换精度为1 1 位( 二 进制数) 。智能型流量计将传感器检测的电流、电压，电阻等模拟信号经信号转 换板变成电压信号后，再经m c l 4 4 3 3 转换成数字信号，d h 8 1 5 5 的a 口读入送给单片 计算机。由于m c l 4 4 3 3a o 转换芯片只有1 路转换通道，而传感器检测到的信号可 以经智能型流量计8 个通道的任意通道输入，所以要使用多路转换开关c d 4 0 5 1 ， 将8 个通道的信号分别送入m c l 4 4 3 3 进行a d 转换，开关由8 1 5 5c 口的3 个引脚进行 控制。 智能流量计检测流量前，要先对检测功能和给定的运算参数进行设置。为了 实现人机对话功能，智能流量计配有键盘和显示器。8 2 7 9 是可编程的键盘显示 器接口，利用该芯片共连接了1 0 位八段数码显示器、1 4 只发光二极管和2 0 个键。 显示器在智能型流量计运行时，用于显示流量值：在对智能型流量计进行功能设 置时，用于显示有关控制单元的地址和其中的数据；发光二极管用作运行工作状 态指示。 该流量计具有丰富的接口，强大的扩展功能以及通信功能，能和上位微机进 行组网，实现分布式控制。1 5 确j 智能式二次仪表是目前流量计二次仪表的主流，电路硬件相对简单，通过软 件编程能实现很丰富的功能。 。 ( 4 ) 基于虚拟仪器的流量测试仪 虚拟仪器是近年来随着计算机技术的飞速发展，测试技术与计算机深层次结 合而发展起来的测试技术新的领域。虚拟仪器是指具有虚拟仪器面板的计算机仪 器，它是由计算机、模块化功能硬件和智能化控制软件包组成的，操作人员通过 友好的图形化界面和工具包控制仪器的运行，实现对被测信号的采集、分析、显 浙江大学硕士学位论文 示、存储和判断，以及控青4 信号的生成。 虚拟仪器已经发展到了智能控件化虚拟仪器阶段。这是虚拟仪器一个全新的 发展阶段，是虚拟仪器从整机到部件发展的一种趋势。将仪器的各个部件都控件 化，形成一个个的智能虚拟控件，使原本由许多零部件“组合”，“装配”成的 仪器整机，回归为一个或几个部件。这是测试仪器的全新概念，从根本上改变了 人们的仪器观，使仪器用于制造的有形资源大大减少，而无形资源则大大扩展和 延伸，并使仪器在设计、制造、使用、维修等方面出现新的模式。重庆大学测试 中心秦树人教授提出的一种“基于秦氏模型的智能控件化虚拟仪器开发系统”就 体现了以上的思想，现在已经发展为成熟的、具有庞大功能的控件化、