（机械电子工程专业论文）耐高压双向椭圆齿轮流量计的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 椭圆齿轮流量计是市场占有份额比较大的一种通用流量计。椭圆齿轮流量计 采用容积式计量，具有计量精度高、油温影响和压力损失小，安装简单、性能稳 定、量程范围大等特点，被广泛应用。但传统的椭圆流量计仅能应用在低压环境， 高压环境下的齿轮容积式流量计大多从国外进口。提高椭圆齿轮流量计的耐高压 性能，有助于增加其应用场合，更好地满足日益提高的市场需求。 在综合国内外文献资料的基础上，对流量计的发展历史、现状及发展方向进 行了论述，并对几类主要流量计进行了关键参数比较。探讨了椭圆齿轮流量计的 发展现状、工作原理以及优，缺点。论文提出了新型耐高压双向椭圆齿轮流量计 的结构方案；并对椭圆齿轮副的结构特性进行了理论分析，得到了椭圆齿轮副在 恒流量下的脉动啮合曲线。对其主要特性如泄漏特性，压力损失特性等进行了理 论分析。根据耐高压双向椭圆齿轮流量计高压计量室的特点提出了磁敏检测的结 构方案。对磁敏传感器和永磁磁钢的工作特性进行了研究。通过有限元仿真分析， 确定了磁敏检测结构的基本元件和主要结构参数。针对耐高压双向椭圆齿轮流量 计的特性研制了液压试验台，试验结果表明，工作压力小于2 l 咿a 时，样机的检 测流量误差为0 5 ；工作压力大于2 1 咿a 至3 1 5 m p a 时，误差为o 5 3 。 当流体从不同油口流入样机时，双通道磁敏传感器采集的方波信号相位不同，通 过对比两方波信号的相位超前与滞后，可判断流体流动方向。该椭圆齿轮流量计 能够承受3 1 5 m p a 的高压，并且在背压低于1 5 m p a 情况下压力损失较小，最大为 0 1 5 m p a 。耐高压双向椭圆齿轮流量计具有耐高压，可双向测量流体流量，磁敏 传感器非接触方式测量，油温影响和压力损失小的优点，本文所完成的研究工作 为迸一步的研究和开发打下了基础。 有关各章内容分述如下： 第一章，在综合国内外文献的基础上，对流量计的发展历史和目前流量计市 场的现状及发展方向进行了论述，并对几类主要流量计进行了关键参数比较。探 讨了椭圆齿轮流量计的发展现状、工作原理以及优、缺点。针对目前椭圆齿轮流 量计发展现状，提出本论文的研究意义和研究内容。 第二章，提出了新型耐高压双向椭圆齿轮流量计的结构方案。该流量计主要 由下端盖，壳体、上端盖、椭圆齿轮副、齿轮轴、磁钢、磁敏传感器等组成。对 椭圆齿轮副的结构特性进行了理论分析，包括其节曲线方程和齿廓参数等。并对 椭圆齿轮副的脉动啮合特性进行了理论分析，得到了恒流量下椭圆齿轮副的脉动 啮合曲线。 第三章，针对本文提出的新型耐高压双向椭圆齿轮流量计结构，对其主要特 浙江大学硕士学位论文 性如泄漏特性，压力损失特性等进行了理论分析。椭圆齿轮流量计的内泄漏需通 过选择合适的端面间隙h l 、齿顶间隙h 2 、偏心率e 、长轴长a 和齿轮厚度b 等参 数来减小。它的压力损失主要受流体粘度和流体流量影响。 第四章，在对比分析几种非接触测量式传感器的性能基础上，提出了耐高压 双向椭圆齿轮流量计的磁敏检测结构及其工作原理。采用单输出锁定型霍尔开关 集成器件双通道磁敏检测方式。双磁钢1 8 0 。相反布置于一只椭圆齿轮上。分析 了磁敏传感器的工作原理和电、磁特性参数等。讨论了永磁磁钢的工作特性等。 通过有限元仿真分析，确定了磁敏检测的基本元件和主要结构参数。并进行了相 应的实验测试。 第五章，在前述理论分析的基础上，制作耐高压双向椭圆齿轮流量计样机， 针对其特性研制了液压试验台，并在实验室条件下对样机的性能进行了试验分 析。试验结果表明，工作压力小于2 1 m p a 时，样机的检测流量误差为0 5 ； 工作压力大于2 1 m p a 至3 1 5 t p a 时，误差为- t - o 5 3 。当流体从不同油口流入 样机时，双通道磁敏传感器采集的方波信号相位不同，通过对比两方波信号的相 位超前与滞后，可判断流体流动方向。该椭圆齿轮流量计能够承受3 1 5 m p a 的高 压，并且在背压低于1 5 m p a 情况下压力损失较小，最大为0 1 5 m p a 。 第六章，概括了全文的主要研究工作和成果，并展望了今后需进一步研究的 工作和方向。 关键词：耐高压双向椭圆齿轮流量计；耐高压；双向检测流体流量；椭圆齿轮副； 脉动啮合特性；泄漏特性；压力损失特性；磁敏捡铡方式；霍尔元件；永磁磁钢； 有限元仿真；实验测试 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sa l li m p o r t a n ts t y l eo ff l o w m e t e r , e l l i p t i c a lg e a rf l o w m e t e rh a sb e e n 丽d e l y u s e di nm a n y9 e c t i o n so fn a t i o n a le c o n o m ya n ds o c i a ls u r r o u n d i n g sd u et oi t s a d v a n t a g e ss u c h 勰p o s i t i v ed i s p l a c e m e n t , h i g hp r e c i s i o n , l o wf l u e n c eo ff l o w t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r el o s s , e a s yf i x i n g , s t a b l ep e r f o r m a n c e ，a n de x c e h e m r e p e a t a b i l i t y b u tt r a d i t i o n a le l l i p t i c a lg e a rf l o w m e t e rc a nk u s e do n l yi nl o w p r e s s u r e i m p r o v i n gi t sp e r f o r m a n c ec a nb eb e n e f i c i a lt o e n h a n c et h ea p p l i c a t i o n s i t u a t i o n s ，b e t t e rs a t i s f yt h em a r k e tr e q u i r e m e n t sa n dp u s ht h ed e v e l o p m e n to ft h e f l o w m e t e r s t h et h e s i sd e e p l ya n a l y z e da n dr e s e a r c h e dt h ee l l i p t i c a lg e a rf l o w m e t e r , u t i l i z i n g t h e o r ya n a l y s i s ，f i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a lc o m p u t a t i o na n de x p e r i m e n t a ls t u d y an e w s t y l 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 rf l o w m e t e ri sp u tf o r w a r d t h e c h a r a c t e r i s t i c so fg e a rs t r u c t u r ei sa n a l y z e da n dt h eg r a p ho fi m p u l s i v ee n g a g i n gi n c o n s t a n tf o w si sr e c e i v e d t h el e a k a g ea n dp r e s s u r el o s so fe l l i p t i c a lg e a rf l o w m e t e r i sd i s e u s s e d , t o o t h e wp l a no fm a g n e t i c - s e n s i n gd e t e c t i o ni sp r e s e n t e d , w h o s e e l e m e n t sa n ds t r u c t u r e p a r a m e t e r sa r e s e l e c t e dw i t hf i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a l s i m u l a t i o n t h et e s t - r i gi sp u tu p ，a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ee r l - o r o ff l o w m e t e ri s 士0 5 w h e ni ti si np r e s s u r eo f2 1 m p a , 0 5 3 w h e ni ti si n p r e s s u r e o f3 1 5 m p a t w i n - c h a n n e lm a g n e t i c s e n s i n gd e t e c t i o nc a ns h o wt h e d i r e c t i o no ff l o w t h i sf l o w m e t e rc a ne n d u r eh i 曲p r e s s u r eo f3 1 5 m p a , a n di t s p r e s s u r el o s si sl o wt o0 1 5 m p a t h i sh i g i lp r e s s u r eb i - d i r e e 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 rc a ne n d u r eh i g hp r e s s u r eo f3 1 5 m p a , m e 勰u r eb i - d i r e c t i o n a lf l o w s w i t h t w i n - c h a n n e lm a g n e t i c s e n s i n gd e t e c t i o na n dl o wp r e s s u r el o s s t h e s ec a nb eu s e df o r t h ef l r t h e rr e s e a r c h i nc h a p t e rl ，b a s e do nt h er e s e a r c hi n f o r m a t i o nw i d e t yo v e r a s ，t h eh i s t o r yo f f l o w m e t e r si si n t z o d u c e d , w i t ht h e i rc l a s s i f i c a t i o na n dc o m p a r i s o n t h ed e v e l o p m e n t , s u u c r l r ec h a r a c t e r , w o r k i n gp r i n c i p l e , a d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo fe l l i p t i c a lg e a r f l o w m c t e ra r cd i s c u s s e dr e s p e c t i v e l y i nc h a m r 2 ，an e ws t y l eh i g hp r e s s u r eb i - d i r e e t i o n a le l l i p t i c a lg e a rf l o w m e t e ri s p r e s e n t e d , w i t hi t sk m l g t u r ea n dp r i n c i p l eb e i n gi n t r o d u c e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so f g e a r s t r u e r n c ea n di t sk e yp a r a m e t e r si n c l u d i n gp i t c hc u r v ea n dt o o t hp r o f i l ea r ea n a l y z e d t h eg r a p ho f i m p u l s i v ee n g a g i n gi nc o l l s t a n tf l o w si sr e c e i v e d i nc h a p t 盯3 t h em a i nc h a r a c t e r so fe 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 , m 浙江大学硕士学位论文 i n c l u d i n gl e a k a g eo ff l o w m e t e r , p r e s s u r el o s sa n ds oo 1 , t h el e a k a g eo ff l o 砌唧i s c o n t r o l l e db ys e l e c t i n gs u i t a b l ee n dc l e a r a n c eh x ，g e a rt i pc l e a r a n c eh e ，e c c e n t r i c i t y r a t i oe ，l o n ga x i saa n dg e a rt h i c k n e s sb t h ep r e s s u r el o s si si n f l u e n c e db yv i s c o s i t y a n df l o w i nc h a p t e r4 ，b a s e do nt h er e s e a r c hi n f o r m a t i o nw i d e l yo v b - r s e a $ an e w p l a no f m a g n e t i c - s e n s i n gd e t e c t i o ni sp r e s e n t e d , w h o s ee l e m e n t sa n ds t r u c t u r ep a r a m e t e r sa r e s e l e c t e dw i t hf m i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h ep r i n c i p l eo fs e n s o ra n d m a g n e t i cs t e e la l ed i s c u s s e da sw e l l i nc h a p t e r5 ，b a s e d0 1 1t h er e s e a r c ho ft h i sn e ws t y l eh i g hp r e s s u r eb i d i r e c t i o n a l e l l i p t i c a lg e a rf l o w m e t e r , t h et e s tr i gi sf i x e d a n dt h er e s u l t so f e x p e r i m e n t ss h o wt h a t t h ee r r o ro ff l o w m e t e ri s 士0 5 w h e ni ti si np r e s s u r eo f2 1 m p a , 0 5 3 w h e ni t i si np r e s s u r eo f3 1 5 m p lt w i n - c h a n n e lm a g n e t i c s e n s i n gd e t e c t i o nc a r l s h o wt h e d i r e c t i o no ff l o w t h i sf l o w m e t e rc a ne n d u r eh i g hp r e s s u r eo f3 1 5 m p a , w i t hi t s p r e s s u r el o s si sl o w t oo 1 5 m p 乱 i nc h a p t e r6 ，a l la c h i e v e m e n t so ft h ed i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e da n dt h ef u r t h e r r e s e n r e hw o r ki sp u tf o r w a r d k e yw o r d s ：h i g hp r e s s u r eb i - d i r e e t i o n a le l l i p t i c a lg e a rf l o w m e t e r ；e n d u r i n g h i g hp r e s s u r e ；b i - d i r e c t i o n a ld e t e c t i o n ；e l l i p t i c a lg e a r ；i m p u l s i v ee n g a g i n g ； l e a k a g eo ff l o w m e t e r ；p r e s s u r el o s s ；m a g n e t i c - s e n s i n gs e n s o r ；h a l le f f e c t ； p e r m a n e n tm a g n e t i cs t e e l ；f i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；e x p e r i m e n t 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，也不包含为获得逝鎏盘堂或其他教育机 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= 学，易基字嘲否年岁月驴日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝 江盘堂有关保留、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。本人授权逝望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。 ( 保密的学位沦文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 签字h 期：五一年j 莽寥 月g 日 学位论文作者毕业后去i 柚 丁作单位： 通讯地址： 导师虢丁凡 签字目期：彰歹年夕月扩日 电话 邮编 咿江大学硕士学位论文 第一章绪论 介绍了流量计的发展历史和发展现状，分类及工作原理，着重介绍了容积式 流量计特别是齿轮流量计的发展现状；简要概括了本课题的研究意义，研究难点 和主要研究内容 1 。1 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。流量测量的方法很多，其中比较常用的测 量方法是容积式和速度式，另外还有电磁式、超声式、热流式等掣h ”。 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 。容积式流量计与差压式、浮子式并列为三类使用量最大的流量 计【1 1 。 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。 椭圆齿轮流量计，顾名思义，其内部转子为两个椭圆齿轮。在液压系统中，椭圆 齿轮流量计由于安装简单、精度高、性能保持稳定、重复性良好等优点而被广泛 应用【l h 7 1 。 1 1 1 流量计的发展历史及现状 人类对于流量的测量的历史可以追溯到古代的水利工程和城市供水系统。古 罗马恺撒时代已采用孔板测量居民的饮用水水量。公元前1 0 0 0 年左右，古埃及 用堰法测量尼罗河的流量。1 7 世纪，托里拆利( t o r r i c e l l i ) 奠定了差压式流量 计的理论基础，这是流量测量的里程碑。自那以后，1 8 、1 9 世纪流量测量的许 多类型仪表的雏形开始形成，如皮托管、文丘里管、容积、涡轮以及靶式流量计 等等 2 1 。 进入2 0 世纪，由于过程工业、能量计算、城市公用事业等对流量测量的需 求急剧增长，促使流量仪表迅速发展。原有的测量原理逐渐成熟，人们开始探索 新的测量原理。自1 9 1 0 年起，美国开始研制测量明沟中水流量的槽式流量计 1 9 2 2 年，帕歇尔将原文丘里水槽改革为帕歇尔水槽。1 9 1 1 1 9 1 2 年，美籍匈牙 利人卡门提出卡门涡街的新理论；由于经济生产落后，直到二十世纪5 0 年代， 浙江大学碗士学位论文 工业中使用的主要流量计也只有孔板、皮托管、浮子流量计三种。二十世纪6 0 年代以后，测量仪表开始向精密化、小型化等方向发展f l 】【2 1 【3 】f 4 l 。 随着集成电路技术、现在微电子技术和计算机技术的飞跃发展，具有锁相环 路技术的超声波流量计也得到了普遍应用。激光多普勒流速计应用微型计算机 后，也可处理较为复杂的信号。近3 0 年来，先后研制出并投入使用的流量计有 速度式流量计、容积流量计、动量式流量计、电磁流量计、超声波流量计等几十 种新型流量计。目前国外投入使用的流量计有1 0 0 多种，国内定型投产的也有近 5 0 种。随着工业生产的自动化、管道化的发展，流量仪表在整个仪表生产中所 占比重越来越大f l 】口】【3 】f “。 我国开展近代流量测量技术的工作比较晚，早期所需的流量仪表均从国外进 口，直到2 0 世纪3 0 年代中期才出现光华精密机械厂所制造的家用水表，5 0 年 代有了新成仪表厂( 上海仪表厂前身) 所开发的文丘垦管流量计，6 0 年代开始 涡轮、电磁流量计的生产。至今，我国已形成一个相当规模的从事流量测量技术 与仪表研究开发和生产的产业】1 2 1 【5 1 。 我国现有产品的品种、规格、精确度和可靠性尚不能满足国内市场的需求， 一些新型的流量计，如涡街流量计、旋进旋涡流量计、射流流量计等的技术水平 与国际先进水平有较大的差距，超声波流量计的研究与开发还处于起步阶段，形 成了低档产品过剩、高档产品依赖进口的局面。随着国内市场的国际化和w t o 的加入，我国流量仪表工业面临着更加严峻的挑战。因此，开展高性能流量仪表 的研究、开发及产业化，对促进我国流量仪表工业的发展，增强产品的国际竞争 力，具有十分重要的意义【l 】一【”。 1 1 2 流量计的分类及比较 流量测量是研究物质的量变的科学。流体在单位时间内流经管道或设备某横 截面处的数量称为流量。该数量可以用体积或质量来表示，如果流过的数量用体 积计算的称为体积流量用q ，来表示，单位为米y 秒( m 1 s ) ，米3 小时( m 3 h ) ，厘 米秒( c m s ) 或升分( u m i n ) 。用质量计算的称为质量流量用q 。来表示，单位 为公斤秒( k g ，s ) 或公斤，j 、时( k g m ) 等【i j 。 在i s a ( 美国仪器学会) 5 1 1 ( 1 9 7 6 ) 文件中给出的流量计定义是目前唯一 可以利用的标准定义在i s a 5 1 1 中给出的定义如下： 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胃和一个二次仪表。 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 2 撕江火学硕士学位论文 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映，并将它转换能说 明流量或总量的显示信号或输出信号的仪表【l 引。 流量计的分类方法有很多，比如按测量对象分类可以分为封闭管道流量计和 敞开流道( 明渠) 流量计( 图1 1 和图1 2 ) 。按测量方法应用的原理又可分为：一， 应用力学原理流量计，包括有应用伯努利原理的差压式、浮子式；应用动量定理 的可动管式、冲量式；应用牛顿第二定律的直接质量式；应用流体阻力原理的靶 式；应用角动量原理的叶轮式；应用流体振动原理的涡街式、旋进式、振荡射流 式；应用动压原理的皮托管式、均速管式；应用分割流体体积原理的容积式等等。 二，应用热学原理的量热式、热量式、熟线式、热偶式等。三，应用声学原理的 超声式、声学式( 冲击波式) 等。四，应用电学原理的电磁式、电容式、电感式、 电阻式等。五，应用光学原理的有激光式、光电式等。六，应用原子物理原理的 有核磁共振式、核辐射式等【l 】。 目前最流行的分类流量计的方法是按测量方法和结构分类。分类如下： 差压式流量计，根据安装于管道中的流量捡测元件产生的差压、已知的流体 条件和检测件与管道的几何尺寸来推算流量的仪表。按照其作用原理可以分为： 节流式，水力阻力式，离心式、动压头式、动压增益式及射流式等。差压式流量 计目前的使用量居流量计的首位，近年来，随着各种新型流量计的问世，它的使 用量在下降【l i 。 浮子式流量计，又称转子流量计，是变面积式流量计的一种。圆形横截面的 浮子的重力是由流体动力承受的，浮子的位置指示着流量的大小。浮子流量计是 仅次于差压式流量计应用范圈最广的一类流量计，尤其在小、微流量方面有举足 轻重的作用f l j 。 容积式流量计，其关键部分是计量室，相当于一个标准的容器，它接连不断 的对流动介质进行度量。流量越大，度量的次数越多。容积式流量计结构比较简 单，适用于测量高粘度低雷诺数的流体。按照其测量元件分类又可以分为椭圆 齿轮流量计、腰轮流量计、刮板流量计、螺杆式流量计、旋转活塞式流量计、往 复活塞流量计、圆盘流量计、膜式气量计( 家用燃表) 等。容积式流量计与差压式、 浮子式并列为三类使用量最大的流量计【”。 3 图1 - 1 封闭管道流量计分类 图1 - 2 敞开流道( 明渠) 流量计分类 4 斯征大学颂t 擘也论史 涡轮流量计，是速度式流量计的主要种类之一，采用多叶片的转子( 涡轮) 感受流体平均流速从而推导出流量或总量。转子的旋转运动可由机械、磁感应、 光学或电子方式检出并由读出装置进行显示或记录。涡轮流量计与容积式并列为 流量计中高精度的两类流量计1 2 】 质量流量计分直接式和推导式两类。直接式流量计是由检测元件直接反映质 量流量的仪表，目前生产中常用的是热式质量流量计。直接式质量流量计由于受 原理和结构上的限制，目前虽然有多种类型，但在工业上都未得到广泛的应用。 科里奥利流量计是真正的质量流量计。1 9 7 7 年美国的m i c r o - - m o t i o n 公司首家 推出u 形管式质量流量计。它有极高的精度，但同时有不可忽视的压力损失，并 且其测量会受流体的压力和温度的影响。而且还有零点漂移。因此，这种极有前 途的流量计在天然气工业中得不到广泛使用。鉴于科罩奥利流量计在计量方面显 著优点，在不久的将来一定会大有发展1 2 。 电磁流量计是6 0 年代随着电子技术的发展而迅速发展起来的一种新型流量 测量仪表。它是应用电磁感应原理测出导管中导电液体的平均流速。由于其独特 的优点：压力损失小，使用寿命长；测量范围宽，可进行双向流的流量测量；对 仪表前后直管段要求不高，目前已广泛应用于各种工业导电液体( 如酸碱盐) 的流 量的测量和脉动流的测量。 超声流量计是由超声波换能器将电能转换为超声波能量，并将其发射到被测 流体中，被接收换能器接收后转换为代表流量并易于检测的电信号，这样就可以 实现流量的检测和显示。超声波流量计内部没有活动部件和障碍物，因此带来的 管道压力损失基本可以不用考虑。由于测量的对象信号属于电信号，在现有的电 子技术以及微机计算能力、信号检测技术飞速发展的条件下，可以获得很高的测 量精度和测量范围。超声波流量计的计量精度主要限制在其获取的信号属于间接 信号，需要经过各种换算之后彳能推导出最终的流动速度和流量，其采用的流动 模型准确程度决定了整个测量精度的高低【i 舶。 流体振动型流量计包括涡街流量计和旋进旋涡流量计，与涡轮流量计比较， 其较小的内部构件使压力损失降低，而且它对上、下游直管道长度的要求较时差 式超声波流量计小，故在很多场合得到广泛利用。缺点就在于外界产生的振动信 号对其测量信号有一定的影响，对于低速流动的流体由于产生的流体振动信号强 度不足，而使得测量下限难以获得突破。其中涡街流量计是最有前途的流体振动 流量计l l 】o 我们可以将各种流量计的特点如表1 1 所示【x - 1 s 。 浙江大学硕士学位论文 表1 - 1 各类流量计性能比较 类别孔板涡街 涡轮电磁超声波容积式科氏力 精确度lllo 5o 5o 50 4 量程比3 ：13 0 ：l2 0 ：l 1 0 0 ：13 0 0 ：lt 0 ：l1 0 0 ：1 管径m m5 0 8 0 05 0 3 0 01 0 5 0 02 3 0 0 07 5 1 6 0 06 2 5 02 0 0 以下 压力损失很大较小较小较小无较大较大 对流速分 很敏感很敏感较敦感 不敏感不敏感不敏感不敏感 布的敏感 测脉动流 不适合 不适合不适合较适合适合适合适合 测双向流不能 不能不能 可以可以 可以可以 清洗管路不能不能不能可以可以不能不能 1 1 3 容积式流量计的发展现状 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 。容积式流量计与差压式、浮子式并列为三类使用量最大的流量 计。同时p d f 也是流量仪表中精度最高的一类f 1 2 1 1 1 7 】。 p d f 的主要测量结构部分为壳体和内部的转子之间形成的计量容腔。其工作 原理是利用转子把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分，然后根据计量室 逐次、重复地充满和排放该体积部分的流体的次数来测量流体的瞬时体积量或者 体积总量。但是p d f 一般不具有时间基准，为了得到瞬时流量需要另外增加测 量时间的装置。 定排量的测量方法可以追溯到1 8 世纪，2 0 世纪3 0 年代进入普遍商业使用。 p d f 的市场占有量是相当大的，它的销售金额在工业发达国家占流量仪表的1 3 2 3 ，销售台数在2 0 世纪9 0 年代中期世界范围内为每年1 5 2 5 万台之间： 在我国，p d f 的销售金额约占2 0 ，1 9 9 0 年产量估计在3 4 万台，其中，椭圆 齿轮流量计占7 0 ( 1 j 。 p d f 由于具有精确的计量特性，在石油、化工、涂料、医药、食品以及能源 等工业部门中用来计量昂贵介质的总量或流量。p d f 最大的用途是石油制品等的 储运交接和分发等计量，这些应用领域可作为财务核算的依据或作为纳税和买卖 双方执行合同的法定计量。有些国家和地域性法规指定在这类场所只能使用p d f 和有限的几种其他类型的流量仪表。比如欧洲指令7 1 3 1 9e e c 除水外的液体 用仪表的规定【h o j 。 6 浙江大学硕t 学位论文 p d f 品种繁多，结构形式多种多样，但是其主要部件的组成大同小异。按照 测量元件结构可以分为：转子式，包括椭圆齿轮式、腰轮式、卵轮式、螺杆式等 ( 图卜3 ) ：刮板式，包括刚性刮板式和弹性刮板式；旋转活塞式；往复活塞式； 转筒式：膜式。p d f 可以用来测量液体和气体。其计量室的密封方式也大致有四 种，分别是：弹性材料密封、机械密封、流体薄膜或毛细作用密封、封液密封。 龟。母 囝 e 0 s 一一囫 图l 一3 几种转子式p d f 具有高精度、长期性能保持性和良好重复性的高品质p d f ，在比较法流量标 准装置中用作标准流量计( 又称校准流量计，r e f e r e n c ef l o w m e t e r 或m a s t e r f l o w m e t e r ) ，作流量量值传递。然而p d f 需要定期维护，因此在放射性或有毒流 体等不允许人们接近维护的场所则不宜采用。 在p d f 的众多测量元件类型中，大部分国内均有产品，然而这些产品在就地 显示、积算和定量控制、补偿和演算等功能方面与国外产品相比，品种过于简单， 差距甚大，仍然需要下很大的功夫。 德国的k r a c h t 公司生产的圆柱齿轮流量计( 图卜4 ) 是一个比较成型的圆柱 齿轮流量计系列。它的转子是两个圆齿轮。测试齿轮是基于齿轮马达的原理由流 动液体驱动的。齿轮的运动可以由两个非接触的传感器检测，得到流量信号其 结构密封性好，允许的最高工作压力可以达到4 8 m p a i ”】 7 浙江大学顾士学位论文 斯辖腑置放大辫 擂央传笛嚣 图1 - 4 德国k r a c h t 公司生产的v c 系列圆柱齿轮流量计 以其中的v c 5 f 1 p s 型号为例： ( 1 ) ，基本误差：0 3 ； ( 2 ) ，最大工作压力：3 5 m p a ： ( 4 ) ，粘度：要求低粘度： ( 5 ) ，被测介质( 重油) 温度：- - 3 0 + 1 2 0 0 c ： ( 6 ) ，流量范围：l 2 5 0l m i n 。 0 1 山1 q 1 髻 基 i 3 0 0 0 2 0 0 01 0 0 0 6 0 0 7 ， ， ? ， ， 一 | 轧。彳 矽：么二；纩 3 0 0 1 0 0 3 4 1 0 05 0 1 0 d15 0 2 0 02 5 0 h w v c5 漉量o 图i 5 不同粘度下压损一流量曲线 可见其基本技术参数是非常优良的。可测量范围比较大，可耐高压，可测油 温范围比较好，基本误差比较低。但是，这种圆柱齿轮流量计有不可忽略的压力 损失( 图1 - 5 ) 从图中可以看出，这种流量计的压力损失还是比较大的。 浙江大学硕士学位论文 1 2 椭圆齿轮流量计 1 2 1 椭圆齿轮流量计的发展现状 椭圆齿轮流量计可以精确的测量大容积的液体流量，目前广泛应用于石油、 化工、液压等行业。在我国，p d f 的销售金额约占流量计市场的2 0 ，1 9 9 0 年 产量估计在3 , - 4 万台，其中，椭圆齿轮流量计占7 0 目前国内能够生产的大 部分都是低端产品，品种过于简单。 合肥中原仪表有限公司生产的普通l c - a 型铸铁椭圆齿轮流量计的主要性能 指标为【1 9 1 ： ( 1 ) ，允许基本误差：0 5 和0 2 ； ( 2 ) ，最大工作压力：1 o 1 6 m p a ； ( 3 ) ，粘度：2 8 m p a s ： ( 4 ) ，被测介质( 重油) 温度：- 2 0 + 1 0 0 0 c ； ( 5 ) ，流量范围：公称直径为1 0 m m ：0 0 8 0 4 m 1 ；公称直径为2 0 m m ：0 5 3 m 1 h ；公称直径为4 0 m m ：2 5 1 5 m 1 i a ；公称直径为l o o m m ：1 6 1 5 0 m 3 h ； 由以上的性能参数指标可以看到，其流量测量范围比较小，所以基本误差也 比较小。 图1 6 发明专利j p 2 3 0 6 1 2 2 主结构图 发明专利j p 2 3 0 6 1 2 2 “容积式流量计”公开了一种椭圆齿轮流量计( 图1 - - 6 ) ，其椭圆齿轮端面绕齿轮轴布置多个磁钢，采用霍尔传感器检测转子转动 角位移信号计量流量，分辨率高，但是由于恒定流量下椭圆齿轮角速度的非均匀 性，其霍尔元件输出的脉冲周期是不均匀的，后续处理比较麻烦。另外其上盖需 采用非导磁材料制成，不适合在高压液体场合下使用【2 们。 9 浙江夫学碗l 学也论文 另外，在石油、化工和液压行业中，很多时候需要获得高压管路的油液流量 变化，目前国内的流量计都不能应用在高压管路上，这也是目前国内产品的一大 缺陷。 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可分为计量室、密封联接和积算计数三个部分 ( 图1 7 ) f l 】。 舅t 部 积算邗 一一= = 二= = _ 一 臣匿翟回 f 一 囫一囤一一匮蒸片三：三巫习 匝趣亘匝量匠一匝砸薹夏囹 图1 7 椭圆齿轮流量计结构框图 计量部分是流量计的核心，流量计量从此开始。计量部分一般由三个部分组 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 决定了该椭圆齿轮流量计的基本排量。因此对计量部分不论是设计、加工和装配， 要求都比较高，齿轮转动要灵活、尽量平稳，各部位之间间隙要适中。齿轮参数 的选择则要根据齿轮的经济转速、基本排量、加工工艺性等因素来考虑。 密封连接部分的作用是既要将椭圆齿轮的转动传给表头，又要防止流体进入 表头。目前常用的密封连接机构有两种，一种是出轴密封机构，另一种是磁钢联 接机构。前者转动阻力矩比较大，只适合于大口径流量计用。后者转动阻力矩比 较小，适合于中、小口径流量计用。对于出轴密封机构来说，在设计中，常常采 用先经过一组减速齿轮，减小出轴密封机构给椭圆齿轮传动带来的阻力矩，然后 再将传动传给计数机构的方法。 积算部分在表头，目前应用的比较多的结构为：表头中有组轮系，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。同时轮系中还可以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。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。表头中的计数机构一般都采用十进制机械计数器、指 1 0 浙江大学顾上擘位论文 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。 对于口径小于1 0 r a m 的微小流量椭圆齿轮流量计，常常采用将磁钢直接埋在 齿轮内与装在盖板上的“干簧管”或“霍尔开关”等磁感应装置，直接组成一个 信号发讯器，将代表流量的脉冲信号输送给二次仪表进行流量积算。 1 2 3 椭圆齿轮流量计计量工作原理 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。其工作原理如图1 - 8 | ”。 两个椭圆齿轮相互啮合，在流体的作用下交替地相互驱动，各自绕轴旋转。 将液体送出。p l 和p 2 分别表示入口压力和出口压力，显然p i p 2 ，图1 - 8 ( a ) 下方 齿轮在两侧压力差的作用下，产生逆时针方向旋转力矩，为主动轮；上方齿轮因 压力产生的逆时针和顺时针旋转力矩相等，所以为从动轮，由下方齿轮带动，顺 时针方向旋转。图1 8 ( b ) 位置时，两个齿轮均在压差作用下产生旋转力矩，继续 旋转。旋转到图1 - 8 ( c ) 位置时，上方齿轮变为主动轮，下方齿轮变为从动轮，继 续旋转到与图1 - 8 ( a ) 相同的位置，完成一个循环。这样，一次循环动作排出四个 由齿轮与壳壁间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 ，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为v ，那么v - - - - - n v 。 图1 - 8 椭圆齿轮流量计计量室工作原理 1 2 4 椭圆齿轮流量计的优缺点 椭圆齿轮流量计的最大优点，是可以达到的计量精度高，基本误差一般为 ：t o 5 r ( 相对误差，为绝对误差与被测量真值的比值) 。特殊的o - j 以达到0 2 r 或更高。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椭圆齿轮流量 浙江大学硕士学位论文 计对流体枯度不敏感，可以用于高粘度流体的测量。可以计量脉动流量的流体。 量程比宽，一般可以达到1 0 ：1 ，特殊的可以达到3 0 ：1 或更大。椭圆齿轮流量计是 直读式仪表，无需外部能源，可以直接获得累积总量，操作简便t 0 1 。 椭圆齿轮流量计的缺点也很多，它的结构相对比较复杂，体积大，一般只适 合于中小口径。由于高温下零件的热膨胀、变形，低温下材质变脆等问题，一般 使用范围都在- - 3 0 + 1 6 0 0 c 。椭圆齿轮流量计由于是直接安装在管路上的，如 果出现问题，比如椭圆齿轮卡死，流体就无法通过，所以必须增加旁路设置，以 免油路堵塞。椭圆齿轮流量计在测量过程中会给流动带来脉动，可能产生噪声， 甚至管道产生振动。椭圆齿轮流量计要靠流体能量推动测量元件，因此会带来比 较大的压力损失。这个压力损失要比同口径和流量的涡轮式或其他有阻碍流量计 大。另外，椭圆齿轮流量计对流体的清洁度要求比较高，以防止齿轮发生腐蚀和 卡死 x - 1 0 l 。 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