液压领域中的高精度流量计—容积式流量计

文 | 传感器技术

液压技术是以流动液体为工作介质, 以压力和流量为特性参量实现能量的转换、传递和分配的一种技术。压力和流量特性直接地表征了液压元件和液压系统品质的优劣。因此, 在液压领域中, 压力和流量的测量就显得尤为重要。

由于流量的测量往往会受到介质本身的黏度和密度, 温度以及来流的流速畸变和旋转流的影响, 所以相对压力而言流量测量更为复杂, 这也是为什么流量测量仪表的种类虽然达百种之多却没有一种对任何流体、任何量程、任何流动状态以及任何使用条件都适用的流量仪表。

随着液压技术在工业领域中应用的不断深入, 对流体介质流量的测量精确度的要求也越来越高。高精度的流量计的研究也越来越受到人们的重视。

众所周知, 液压系统的工作介质是石油基液压油。而自1930 年容积式流量计正式开始应用于石油液体的计量, 发展至今, 它被公认是石油液体计量中最准确的一种流量计。

容积式流量计

容积式流量计是利用一个精密的标准容器对被测流体进行连续测量的, 因而影响测量准确度的因素较少, 不会受到流体黏度、密度、流动状态以及雷诺数的影响, 测量的准确度也较高。

尤其是近年来, 随着其在材料选取、结构设计、加工工艺等方面有了很大的改进, 性能也在不断提高。VSE公司的齿轮流量计的精度达到了 ±0.3% ； KRAL 公司的螺杆流量计的精度可以达到 ±0.1%； Dresser Wayne公司的刮板式流量计的精度甚至可以达到 ±0.05%，而且其重复性也很好。

容积式流量计的原理

1、容积式流量计结构和分类 

容积式流量计又称为定排量流量计 ( positive displacement flowmeter ) 。它主要由计量本体和测量部分组成,。计量本体由壳体、活动体 ( 转子流量计的转子 ) 组成。其中核心部件就是活动体, 它是测量过程中的运动部件。活动体和壳体构成的每个测量腔就是一个标准容积单元, 用来衡量被测流体的体积。测量部分实际上是一个转速或计数传感器, 螺杆流量计上的其中一只螺杆伸出的小齿轮上嵌有磁材料, 螺杆转动时传感器可以通过磁效应识别螺杆的转速, 并转化为标准脉冲信号或电流信号。这样流量就可以直接用二次仪表显示或被计算机采集并分析了。 

容积式流量计种类繁多, 可以根据不同的原则来分类。通常按照测量元件的结构分为转子式、刮板式、旋转活塞式、往复活塞式和膜片式等，其中转子式最为常用, 转子式的流量计的销售额约占到容积式流量计总销售额的90 %。常见的齿轮式、螺杆式、腰轮式、卵轮式流量计都属于转子式。

2、容积式流量计的原理 

容积式流量计种类很多, 都采用了定排量的测量方法, 但细节上还是有较大的差别。液压领域中常见的还是转子式的流量计, 其工作原理都是利用机械测量元件把来流连续地分割为单个或几个已知体积的部分, 根据单位时间内计量腔体充液的次数来计量通过流体的体积。转子式中又以齿轮式和螺杆式用的更普遍一些。

3、容积式流量计的优缺点 

容积式流量计长期以来被广泛地应用于工业生产过程的流量测量, 并迅速扩展到医疗、精密化工、食品工业等领域的计量。这说明了容积式流量计具有很多优良的特性：

(1)测量精度高，重复性好，而且影响测量准确度的因素比较少。液体的黏度, 流体速度场的变化等因素对其测量精确度影响很小。

(2)由于旋转流和流速场畸变对精确度没有影响, 所以安装简易, 不需要稳流装置和前置长直管,所以对于实际使用很有现实意义。

(3)使用的黏度范围很宽, 尤其对于高黏度液体测量精确度效果也很好 。

(4)可测量的流量范围比较广, 相对于一般流量计 10∶1 和 5∶1 的测量比, 有的容器式流量计可以达到30∶1 , 甚至更大。

(5)容积式流量计可以有直读式仪表, 无需其他外加能源, 操作简单, 清晰明了。

(6)因为容积式流量计是直接用体积来计算的,相对于其他如速度式等推导体积流量计而言, 受到的影响因素少一些。

当然, 受制于材料、加工工艺和自身结构的影响,目前, 容积式流量计也有着一些缺陷：

(1)由于与被测管道直接相连接安装, 所以口径较大时, 仪表就显得比较笨重,搬运安装比较麻烦。

(2)由于机械材料低温变脆, 高温膨胀变形, 限制了容积式流量计使用的温度范围和压力等级。

(3)因为有一些活动部件, 所以不适用脏的、含有固体杂质的被测液体, 过滤精度要求高。此外, 流体还必须用来驱动活动部件使流量计正常工作, 所以压损较大。

容积式流量计的关键技术

1、活动部件的结构设计 

活动部件是容积式流量计的核心部件, 比如转子式的转子, 活塞式的活塞, 其结构的设计往往需要经过反复的论证和计算。它和壳体构成了容积流量计的容积腔体, 容积过大, 所受的力和力矩就会增加;容积过小, 导致活动部件动作过于频繁, 通流量也很小。因此, 活动部件的结构设计尤为关键。

在结构和强度允许的条件下, 齿轮式流量计的齿轮设计根据GB1357-88 齿轮模数序列, 优选出模数、齿高、齿数、分度圆直径、齿根圆和齿顶圆直径等齿轮参数。而螺杆流量计设计时,要充分考虑两个螺杆所受的力矩情况, 最好能使两者之间的力矩平衡,从而减小螺杆之间的冲击, 达到降低噪声和延长寿命的效果。两个螺杆在各个状态下的力矩是不相等的, 而且存在主动、从动之分。合理的设计螺杆结构, 完全可以使两个螺杆所受转矩平衡, 消除转矩脉动带来的负面影响。那怎么才能使转矩平衡而又维持不变呢。除了正确设计螺杆之外,还要要求两个螺杆的齿形完全一致, 齿两侧的曲面也完全对称, 而且转子的长度应为螺距的整数倍, 只有这样才能使螺杆啮合接触线两面高低压受力面积相等, 在转动过程中没有变化, 液压转矩就均匀不变了。此外, 活动部件的结构设计好坏会直接决定流量计泄漏、承受压力情况、精密程度。所以活动部件的结构是容积式流量计技术中最为关键的一环。

2、活动部件的间隙 

容积式流量计的容积腔不是密闭固定的, 容积腔要随着转动部件转动。因此, 活动部件和流量计壳体之间必然存在着间隙。该间隙既要保证活动部件转动灵活, 减小压损和磨损, 又要使间隙的泄漏尽可能的少, 因为泄漏直接影响到了测量的精确度。理论上, 该间隙应为零, 实际上很难达到。例如腰轮流量计和椭圆齿轮流量计的转子和壳体的间隙一般都设在 0.1mm左右。一般不会超过 0.15 mm。如果能使间隙 δ < 0.1mm , 泄漏的流体处于腔体壁的层流区边界层，此层的流速近似为零, 实现近似的零泄漏，δ 也就认为近似为零了。

3、流量计的材质容腔

积式流量计靠精确的容腔来计量流量, 构成容腔的转子、腔体的材料将会影响到流量计的性能和品质。首先, 材料的力学性能制约着流量计使用的压力等级。在高压流体中, 转子或壳体受高压影响可能产生变形, 腔体的容积随之发生变化;而且变形很可能导致转子和腔体壁间的间隙偏离原来的设计值, 如果变大, 泄漏增大, 变小, 转子就会磨损。这些都将影响流量计的精确度。这就是为什么早期的容积式流量计的设计压力普遍偏低。

其次, 容积式流量部件由于存在活动部件, 计量过程中活动部件连续运转, 而且大流量时还要高速运转, 因此磨损的问题就凸现出来了。材质的抗磨性能就成了影响流量计寿命和精度的重要因素。

再次, 液压油连续工作中的温升是很严重的, 所以材质的热变形性也是设计流量计时需要考虑的问题。还有当环境温度极低时, 还要注意材质的冷脆性, 因为脆性限制了流量计的工作压力。例如某公司的螺杆流量计, 应用于高压的耐高温的 OMH 系列流量计壳体一般是精模铸造的灰铸铁, 转子螺杆一般选用用力学性能和耐磨性很好的氮化钢, 压力可以达到 42 MPa , 其中应用石油钻井平台上的最高压力可达到 103.5MPa ;低压的 OME 系列壳体选用重量轻、耐磨的氧化铝;还有用于化工行业流体计量的 OMK 系列中转子选用了含15 %石墨的聚四氟乙烯材料, 使转子可以抵抗一些化工产品的强腐蚀性。由此可见, 容积流量计的材质也是决定其性能的关键因素之一。

容积式流量计的应用

容积式流量计的这种定排量的流量测试方法可以追溯到18 世纪, 在20 世纪30 年代进入普遍的商业应用阶段。近年来, PD 流量计在有的工业发达国家的销售额超过了20 %, 在我国也大约占到了20 % 。其主要应用在石油基介质的计量中。但由于其精确的计量特性, 近年来, 迅速扩展到化工、食品、医疗等部门也采用它来精确计量昂贵介质的总量和流量。

在石油方面的测量中, 已经制定了使用容积式流量计的测量系统的国际标准 ( ISO/DIS2714 ) 。而且高精度、长期性能保持性和高重复性的容积式流量计也被用来作为工业流量计量的标准仪表, 对工业仪表进行校准和标定。