新型耐高壓雙向橢圓齒輪流量計的研究

【資料簡介】

江蘇金鼎自動化儀表有限公司 ：姚佳明  

在工業生產、科學實驗、能源計量及社會生活等領域中，流量是需要測量和控制的重要參數之一，橢圓齒輪流量計采用容積式計量，具有計量精度高、油溫影響和壓力損失小、安裝簡單、性能穩定、量程范圍大等特點，被廣泛應用^[1] 。但傳統的橢圓流量計僅能應用在低壓環境，高壓環境下的齒輪容積式流zui計大多從國外進口^[2]。本文提出了一種新型耐高壓雙向橢圓齒輪流量計的結構，并進行了理論分析和實驗研究。

      1 耐高壓雙向橢圓齒輪流量計的原理與結構

      1.1 工作原理

      壓雙向橢圓齒輪流量計是基于齒輪馬達的工作原理，由流體驅動兩個嚙合的橢圓齒輪轉動，再根據橢圓齒輪的轉速進行流量計量（圖1）^[1]。

      1.2 橢圓齒輪的脈動嚙合特性分析

      由于橢圓齒輪嚙合點即節點在兩個橢圓齒輪軸心的連線上來回移動，所以其傳動比不是一個恒定值，在恒定流量下其轉動角速度不恒定^[3]。根據橢圓齒輪嚙合運動的對稱性，得到恒定流量下的角速度方程（式1）。

      （1）

      式中：ω₁—— 橢圓齒輪1的角速度，rad/s；
               θ₁—— 橢圓齒輪l的轉角，^o；
               e —— 橢圓齒輪的偏心率；
               Q —— 通過流量計的流量，m³/s；
               α —— 橢圓齒輪的長軸長，m；
               H —— 橢圓齒輪的厚度，m；

      應用MATLAB進行仿真分析，并設2Q/α²H=1，可得在恒定流量下，橢圓齒輪轉動的規律（圖2）。可知在恒定流量下，橢圓齒輪角速度的變化是有規律的，以180^o為一個周期進行重復。

      1.3 結構

      新型耐高壓雙向橢圓齒輪流量計（圖3）主要由下端蓋、殼體、上端蓋、橢圓齒輪副、齒輪軸、磁鋼、磁敏傳感器等組成。油液從下端蓋的油口（A或B）流入由下端蓋、殼體、上端蓋三部分密封形成的耐高壓計量室，推動以各自的齒輪軸為中心的橢圓齒輪副嚙合轉動后從另外一個油口流出，利用磁敏檢測原理（如霍爾效應），將橢圓齒輪轉角的周期信號（即被測介質的流量等效信號）檢測出來，并用方波信號輸出。

      1.4 磁敏檢測

      在其中一只橢圓齒輪的徑向端面上對稱的封裝兩枚磁鋼（圖3），兩枚磁鋼的N極和S極相反布置。在上端蓋中封裝兩枚磁敏傳感器（單輸出鎖定型霍爾開關集成器件^[4]），并成90^o布置，橢圓齒輪旋轉時，磁鋼相應地掃過磁敏傳感器的敏感區域，磁敏傳感器感應永磁磁場的變化，改變輸出信號電平。由計量室工作和磁感應檢測原理可知，雖然恒定流量下橢圓齒輪的角速度是變化的（圖2），但對裝在橢圓齒輪上的兩只磁鋼而言，轉180^o一個周期才能對其中的一只磁敏傳感器產生作用，因此在恒定流量下，磁敏傳感器輸出的方波信號的周期是恒定的，并且輸出方波的頻率與通過流量計的流體流量成正比（即通過單位時間的方波數或方波周期可獲得流體的流量信息）；并通過對比兩枚磁敏傳感器分別輸出的方波信號相位的超前與滯后，檢測并判斷流體的流動方向。

      磁敏傳感器所處的隔艙與計量室之間有耐高壓、非導磁的隔離片5（圖4）。并與上端蓋2焊接，形成耐高壓容腔。導磁柱4采用純鐵（圖4），可增強磁敏傳感器所處位置的磁感應強度（圖5是裝有導磁柱狀態下磁敏傳感器附近的磁場分量1/2的分布云圖）。利用霍爾效應原理，對影響磁敏傳感器感應效果的磁鋼半徑r、隔離片厚度L和磁敏傳感器下的間隙L（圖4）參數進行了有限元仿真分析，隔離片厚度5mm，不加導磁柱時，不同磁鋼半徑r和磁敏傳感器下的間隙L 對磁感應強度的影響（圖6）。磁鋼半徑2.5mm，在隔離片中加入導磁柱后，不同隔離片厚度L和磁敏傳感器下的間隙L對磁感應強度的影響（圖7）。可知，磁敏傳感器所處位置的磁感應強度與磁鋼半徑r成正比、與隔離片厚度L和磁敏傳感器下的間隙L 成反比。

      2 實驗及結果分析

      對耐高壓雙向橢圓齒輪流量計樣機進行了實驗測試，液壓測試系統如圖8所示，樣機6的背壓由溢流閥8調定，壓差由壓力表5、7測量；通過對磁敏傳感器輸出的電平信號進行計量與分析，獲得樣機6的流量大小與方向；標準流量計9對通過樣機6的流量進行標準測量，從而可獲得樣機的流量、耐壓、壓力損失以及方向測量特性。

      試驗表明（圖9），工作壓力小于21MPa時，樣機的檢測流量誤差為±0.5%；工作壓力大于21MPa至31.5MPa時，誤差為±0.5~3%。這是因為：樣機處于高壓工作狀態時，泄漏量增加，測試誤差增大；該誤差可通過進一步提高加工精度或進行壓力信號補償等方法減小。

      當流體從不同油口流入樣機時，兩通道磁敏傳感器采集的電平信號的相位不同（圖10和圖11），通過對比兩方波信號的相位超前與滯后，判斷流體流動方向。

      樣機在工作中存在壓力損失（圖12），從圖中可以看出，壓力損失較小，zui大為0.15MPa。

      3 結論

      新型耐高壓雙向橢圓齒輪流量計采用耐高壓計量室結構、容積式流量檢測和通過磁敏傳感器信號輸出的方式；具有結構簡單、安裝方便、油溫影響小、性能穩定等特點，實驗結果還表明該流量計具有檢測精度高，能夠雙向檢測流量，壓力損失小，能工作在高壓環境下等優點。