容积式流量计|工作原理|性能参数及应用

针对流体的测量, 容积式流量计被公认为是***准确的一种流量计[1]。然而, 容积式流量计的流量系数随着流量的变化也在发生变化, 本文通过分析这种变化的规律, 进而探索流量系数变化产生的机理, 并提出改善容积式流量计特性的途径。对提高容积式流量的测量精度、工作稳定性以及扩大测量量程等都有着重要的意义和作用。

容积式流量计也称正排量流量计 (Positive Displacement Flowmeter) [2], 目前***常见的容积式流量计是椭圆齿轮流量计, 此种流量计也是本文研究的对象。

▲图1椭圆齿轮流量计的计量原理   下载原图

椭圆齿轮流量计型腔内有一对互相啮合的椭圆齿轮作为转子, 两个齿轮与外壳体之间构成标准容积空间, 此空间体积被称之为标准容积, 记为νa。在进液口与出液口之间流体的压差作用下, 两转子转动, 标准容积空间内流体按照图1a, b, c所示顺序, 被循环排出。两齿轮运转一周, 共有四个标准容积空间流体被排出[3]。

流量计运转过程中通过电磁感应的方式产生信号。即在椭圆齿轮端面轴线上的某位置嵌入磁钢, 磁钢一般中心对称分布, 一个流量计中的磁钢总数记为i。在流量计外壳体上的对应位置, 安装霍尔元件。当磁钢运转到霍尔元件附近时, 会产生一个脉冲信号。两齿轮运转一周, 产生的脉冲信号个数即为磁钢总数i。综上可知, 产生一个脉冲信号代表有4/i个标准容积流体经过流量计, 此体积被称之为流量计的理论流量系数, 记为νi。

每秒流量计运转的圈数记为n, 产生的脉冲信号次数称为脉率, 记为N。则

则每秒通过流量计的理论流量Va为:

由式 (3) 可知:理论流量Va取决与流量计的转速和标准容积, 并与二者呈正比关系。

容积式流量计的实际流量系数与理论流量系数不同, 并不是恒定值, 而是随流量变化而变化。需通过实验标定的手段, 获得流量计的实际流量系数曲线[4]。

流量系数测量实验台结构示意图如图2所示, 其工作原理为:进油箱 (1) 用固定装置固定在高处, 内部油液在重力作用下自流。控制管路中的流量调节阀 (3) , 可调整流经流量计的流量大小, 从而使流量计在不同的转速状态下工作。流量计 (4) 放置在油箱液面以下1.5m处。通过控制两位两通电磁阀 (7) 来控制实验的开始与结束。经过流量计的油液***终流入称重油箱 (8) 中, 标准称 (9) 可以称出油液质量。测量实验油液密度, 即可以计算实际流经流量计的流体体积。采用虚拟仪器Labview (6) 捕捉流量计运转过程中产生的脉冲信号, 并记录实验时间[8]。实验过程中, 为使进油箱液面保持在规定高度, 采用补油泵 (11) 从补油箱 (10) 中抽取油液补充至进油箱中, 多余的油液会通过卸油管路 (12) 流回补油箱。

▲图2流量系数测量实验台结构示意图   下载原图

1.进油箱2.滤清器3.流量调节阀4.容积式流量计5.信号线6.Labview工控机7.两位两通电磁阀8.称重油箱9.标准称10.补油箱11.补油泵12.卸油管路

图3所示为某一型号容积式流量计流量系数随流量变化而变化的曲线, 曲线的横坐标是流量;纵坐标为流量系数, 即一个脉冲信号时间内通过流量计的流体体积。图中虚线为理论流量系数与流量之间的对应关系, 由 (1) 式可知, 对于确定的流量计, 其理论流量系数恒定不变;实线为实际流量系数与流量之间的对应关系, 其值是随流量变化而变化的, 且在不同的流量区间, 变化趋势不同。对流量区间进行相应划分。具体情况见表1所示。

实际流量系数随流量变化会产生波动, 且均大于理论流量系数, 主要是泄漏的影响。

▲图3流量系数随流量变化曲线 

表1 流量计不同流量区间    下载原表

部分流体会通过流量计内某些空隙直接从进液口流至出液口, 而不推动转子做功。一般称其为泄漏[2], 这就是流量系数变化的根源。因此每秒通过流量计的实际流量V为:

式中:N为脉率, 即每秒脉冲数;νi为理论流量系数, 即一个脉冲信号所代表经过流量计的理论流体体积;ε为泄漏量, 即一个脉冲信号时间内流量计的泄漏流体体积;ν为实际流量系数, 即一个脉冲信号所代表经过流量计的实际流体体积。

在不同的流量范围内, 影响泄漏的主要因素不同, 因此, 实际流量系数变化的产生机理也不尽相同。

系数下降区内, 动静摩擦交替变化造成的爬行现象是影响泄漏的主要因素。此流量段的泄漏被称之为阻力型泄漏。

当流量很小时, 流量计内转子并不能保持均匀的速度运转, 而是呈现一种时动时停的不稳定运转状态, 这就是所谓的爬行现象[5]。处于爬行运动状态的流量计, 其通流量以及泄漏有周期性波动, 由于要克服初始的机械摩擦阻力, 此区间泄漏量较大。这也就是在小流量范围内时, 流量计的流量系数较其他脉率段都高的原因。

在此区间内, 随着流量逐渐增大, 流量计开始趋向正常运转, 而不再有明显的停顿, 爬行影响因素逐渐降低。因此, 泄漏量逐渐降低, 流量系数也逐渐减小。

系数上升区的泄漏主要是由进液口与出液口之间的压力损失引起。被称之为压差型泄漏。

由于流量计转子与型腔之间的间隙很小, 因此正常运转之后, 转子与型腔之间的流体流动可以认为是粘性流动, 则单个信号时间内的泄漏量可以用式 (5) 表示:

式中:a为常数, 与流量计的制造精度尤其是转子与型腔之间的间隙大小有关;Δp为流量计进液口与出液口之间的压力差, 即压力损失;μ为流体粘度。

随流量增大, 流量计转子转速升高, 机械阻力也随之增加。而产生流量计泄漏的压力损失Δp, 主要是由于机械阻力所引起的[2]。因此, 此区间泄漏量随脉率增大而逐渐增大, 导致流量系数逐渐上升。

系数缓变区, 流量系数略微上升, 但相对稳定。此区间的泄漏, 被称为流速型泄漏。系数缓变区流量逐渐增大, 转子转速足够大, 由于转子与型腔之间沿运动方向的间隙呈由大到小的形状, 则流体可以被连续泵入此间隙中, 从而建立压力油膜, 形成流体动力润滑[6]。在此状态下, 泄漏量即为连续泵入间隙中, 用来建立压力油膜的部分流体体积。因此基本保持恒定。这就是系数缓变区的形成机理。

泄漏与流量计的设计尺寸, 制造精度, 进液口与出液口之间的压力损失以及摩擦特性等有很大关系。会直接影响流量计的测量性能。阻力型泄漏与压差型泄漏属于不稳定泄漏, 会造成流量系数变化大且不稳定。系数缓升区系数较为稳定, 其泄漏基本保持不变。因此, 要提升容积式流量计的性能, 必须减少产生泄漏的因素。

流量计在测量方面主要包括精度, 误差, 量程等几个性能指标。

(1) 精度也可以表示为流量计测量的***小分辨率, 流量系数ν是单个脉冲信号所能表示的流量体积, 此值即是流量计的精度。

(2) 误差是判断流量计测试的准确性性能参数, 记为E, 可衡量流量计显示值与真实通过流体的体积之间的偏差大小, 通常表示为:

式中:I为实际通过流量计的流体体积;V为显示值流量计的测量值越接近于真实值, 误差越低, 这样的流量计越好。

(3) 量程即在误差规定标准内, 流量计所能测量的流量范围。流量计的量程实际上就是系数缓变区所在的流量范围。当然此段范围越宽越好。

为了降低流量计的***小分辨率、减小误差、扩展测量范围, 使流量计测量更加稳定, 需从流量计的设计结构、制造精度、摩擦特性以及组装处理等多方面入手, 进行流量计的性能改进。具体分析, 可以有下列方法:

(1) 采用小尺寸的转子可降低标准容积νa或者增加磁钢个数i, 就会降低理论流量系数νi。此值越小, ***小分辨率越低, 所能测量的***小流量也就随之降低;图4所示为两个不同尺寸转子流量计的流量系数曲线, 其中大转子体积为小转子体积的1.2倍。虚线为大转子流量计数据, 实线为小转子流量计数据。图中a点表示小转子流量计的起始测试流量, 其值为3 L/h, b点表示大转子流量计的起始测试流量, 其值为5 L/h。从这两个数据的差异可以看出, 采用越小转子流量计, 其可测的初始流量越小, 即精度也会越高。

▲图4不同转子尺寸流量计流量系数曲线   下载原图

小转子流量计在c点, 即流体流量达到14 L/h时, 已经进入系数缓变区。而大转子流量计要在相同转速下才能进入系数缓变区, 但其标准容积较大, 因此, 其进入缓变区时的流量也较大。这意味着, 降低转子尺寸, 可将系数稳定区提前。

(2) 调整转子与外壳上下面之间的间隙, 提高流量计的机械加工精度, 可降低内部泄漏。选取两只同尺寸, 但转子与外壳上表面配合间隙不同的流量计进行标定测试, 得到如图5所示的误差曲线。间隙大的流量计, 小流量范围内, 较多流体从此间隙中泄漏, 而没有推动转子做功, 因此此段泄漏大, 误差达到-1.5%;而且间隙过大, 导致压差型泄漏流量范围扩大, 在流量达到20 L/h时才进入系数稳定区, 因此要设计合适配合间隙以使系数稳定区提前。

但是转子与外壳之间的间隙并不是越小越好。如果过小可能会造成转子与外壳接触面之间的毛刺摩擦, 此摩擦会增大开启阻力, 且在流量计正常运转过程中会增大卡齿的可能性。

▲图5不同装配间隙流量计误差对比   下载原图

(3) 提高流量计的装配工艺, 可降低转轴与转子之间, 转子相互之间的摩擦阻力, 使下降区区间缩短;

(4) 实际测试的连接管路应保证密封, 因为空气的可压缩性较液体大, 混入空气, 会增加体积弹性模量, 降低系统刚度[5], 从而增大爬行现象对流量计的影响。

(5) 流体脉动会严重影响测量精度, 甚至可能出现共振现象, 严重缩短流量计使用寿命。

因此, 要采取相应的方式缓解脉动流。一般可以采用蓄能器的方式对脉动进行消除[9,10]。