橢圓齒輪流量計可選用機(jī)械顯示表頭和電子顯示表頭兩種計數(shù)機(jī)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域的液體流量控制，適用于各種類型的液體測量，如原油、柴油、汽油等，具有量程大，精度高，使用和維修方便等特點，選用不同的制造材料，可滿足石油、化工、醫(yī)藥、食品、冶金、電力、交通等各領(lǐng)域的液體流量計量。

工作原理

橢圓齒輪流量計是由計量箱和裝在計量箱內(nèi)的一對橢圓齒輪，與上下蓋板構(gòu)成一個密封的初月形空腔（由于齒輪的轉(zhuǎn)動，所以不是優(yōu)良密封的）作為一次排量的計算單位。當(dāng)被測液體經(jīng)管道進(jìn)入流量計時，由于進(jìn)出口處產(chǎn)生的壓力差推動一對齒輪連續(xù)旋轉(zhuǎn)，不斷地把經(jīng)初月形空腔計量后的液體輸送到出口處，橢圓齒輪的轉(zhuǎn)數(shù)與每次排量四倍的乘積即為被測液體流量的總量。

技術(shù)參數(shù)

1）基本誤差：±0.5％，±0.2％

2）被測液體粘度：2～200mpa.s，可定制高粘度

3）被測液體溫度：-20～+80℃，可定制高溫

4）*大工作壓力：鑄鐵、不銹鋼1.6Mpa；鑄鋼2.5Mpa，6.4Mpa，可定制高壓

5）材質(zhì)：鑄鐵、鑄鋼、不銹鋼

6）信號輸出（遠(yuǎn)傳型、智能數(shù)顯型）：

a、供電：24Vdc

b、脈沖，4-20mA

7）防爆（可選）

8）保溫夾套（可選）

測量范圍

外形尺寸（單位：mm）

1.鑄鐵型、鑄鐵高粘型、鑄鐵高溫型、鑄鐵變形型

2.鑄鋼型、鑄鋼高粘型、鑄鋼高溫型

注：鑄鐵、鑄鋼高溫型橢圓齒輪流量計外形尺寸：DN15~DN25，A、B尺寸按上表數(shù)據(jù)加160mm熱延伸管：DN40~DN80，A、B尺寸按上表尺寸加300mm熱延伸管，其余尺寸同上表相應(yīng)尺寸。

3.不銹鋼型

安裝注意：

3.為防止被測介質(zhì)中雜物卡死流量計，必須在表前安裝過濾器配套使用。

橢圓齒輪流量計應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)油耗測量系統(tǒng)

介紹一種用于測量內(nèi)燃機(jī)耗油的流量計，以實現(xiàn)對動力機(jī)械的燃油控制，達(dá)到節(jié)能減排的目的。采用橢圓齒輪的測量形式，開發(fā)了二次儀表。利用一臺噴油泵試驗臺進(jìn)行了系統(tǒng)性能驗證實驗，根據(jù)內(nèi)燃機(jī)的實際工作狀況，在內(nèi)燃機(jī)三種工況下進(jìn)行了實驗，即*大扭矩轉(zhuǎn)速、*大功率轉(zhuǎn)速以及起動轉(zhuǎn)速。實驗結(jié)果表明，該測量系統(tǒng)工作穩(wěn)定，在*大扭矩轉(zhuǎn)速和*大功率轉(zhuǎn)速下測量誤差相對小，分別為0. 9%和0. 8%，但在起動轉(zhuǎn)速工況下誤差大，為32. 3%。同時，進(jìn)油管和回油管的表頭均有一定的內(nèi)泄漏，且隨著內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速的增大而減小。*后，通過分析測量數(shù)據(jù)，提出了從表頭工藝參數(shù)和軟件補償兩個方面提高測量精度。

內(nèi)燃機(jī)一般有進(jìn)油管和回油管，通過油泵進(jìn)行循環(huán)，兩管流量之差即為實際耗油量。內(nèi)燃機(jī)有三種極限工況，*大扭矩轉(zhuǎn)速、*大功率轉(zhuǎn)速、起動轉(zhuǎn)速。所設(shè)計的橢圓齒輪流量計要求必須在三種極限工況下均能正常工作。同時，機(jī)器運轉(zhuǎn)時可能會產(chǎn)生脈動流，則所選傳感器應(yīng)對脈動流不敏感。另外，燃油粘度也是一個需要考慮的因素。綜合以上因素，采用容積式流量測量法，選取橢圓齒輪的測量形式。橢圓齒輪流量計具有精度高[6]( 一般為0. 5%，特殊達(dá)到0. 2%) 、對安裝要求低，在旋轉(zhuǎn)流和管道阻流件流速場突變時對計量**度沒有影響，沒有前置直管段要求，安裝簡單，占據(jù)空間較小。測量范圍寬，對流體粘度不敏感，適于對燃油的測量。量程比寬，一般達(dá)到10 ∶1，特殊達(dá)到30 ∶1或更高[6]，理論上適合于內(nèi)燃機(jī)三種工況的測量要求。在橢圓齒輪上裝有磁鋼，利用霍爾效應(yīng)[7，9]對橢圓齒輪的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行檢測，根據(jù)傳感器輸出信號的特點設(shè)計二次儀表，包括信號調(diào)理電路與顯示部分。

本文根據(jù)內(nèi)燃機(jī)實際工作狀況設(shè)計了實驗，模擬其在三種極限工況下工作。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)在*大扭矩轉(zhuǎn)速和*大功率轉(zhuǎn)速下測量誤差相對較小，但在起動轉(zhuǎn)速下誤差大。*后，通過分析實驗數(shù)據(jù)和系統(tǒng)在低轉(zhuǎn)速下誤差大的原因，提出了進(jìn)一步改進(jìn)的措施。

1 傳感器原理及結(jié)構(gòu)

1. 1 測量原理

測量原理如圖1 所示。測量部分由兩個相互嚙合的橢圓齒輪及其外殼( 計量室) 所構(gòu)成。在一個橢圓齒輪上對等各安裝一磁鋼，流體通過時，會引起橢圓齒輪的轉(zhuǎn)動，這種轉(zhuǎn)動相當(dāng)于對空間磁場進(jìn)行了調(diào)制。然后，利用磁敏檢測原理，將周期性磁場變化信號轉(zhuǎn)換為電信號，*終通過信號轉(zhuǎn)換電路將流量值顯示出來。

橢圓齒輪流量計在被測介質(zhì)的壓差ΔP = P1 -P2 的作用下，產(chǎn)生作用力矩使其轉(zhuǎn)動。在Ⅰ位置時，A 為主動輪，B 為從動輪，這是由于P1>P2，兩者的合力矩使輪A 順時針轉(zhuǎn)動，把輪A 和殼體間的半月形容積內(nèi)的介質(zhì)排至出口，并帶動輪B 作逆時針方向轉(zhuǎn)動; Ⅱ為中間位置，A 和B 均為主動輪; 而在Ⅲ位置時，P1 和P2 作用在A 輪上的合力矩為零，作用在B輪上的合力矩使B 輪逆時針轉(zhuǎn)動，并把已吸入半月形容積內(nèi)的介質(zhì)排至出口，這時B 為主動輪，A 為從動輪。如此往復(fù)循環(huán)，輪A 和輪B 互相交替地由一個帶動另一個轉(zhuǎn)動，將被測介質(zhì)以半月形容積為單位一次次地由進(jìn)口排至出口。

顯然，橢圓齒輪每轉(zhuǎn)一周所排出的被測介質(zhì)量理論值為半月形容積V0的4 倍。圖1 中，半月形的截面積S 為計量室殼體半徑對應(yīng)的半圓面積與半橢圓齒輪面積之差，即

上述兩式中，a 為橢圓齒輪長半軸，b 為橢圓齒輪短半軸，R 為計量室殼體半徑，L 為橢圓齒輪軸向高度。實際使用時，由于加工、裝配誤差等原因，必須對每個表頭進(jìn)行標(biāo)定。

1. 2 傳感器結(jié)構(gòu)

檢測系統(tǒng)傳感器也稱為表頭，主要包括計量室、轉(zhuǎn)軸、橢圓齒輪副、墊圈、霍爾開關(guān)、磁鋼以及螺栓。三維機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。其中，計量室由上下端蓋組成，用密封圈封好。轉(zhuǎn)軸與下端蓋加工為一體。齒輪副安裝在下端蓋，其中一個橢圓齒輪安裝兩枚磁鋼( 位于長軸上，成180°布置) ，霍爾開關(guān)安裝在上端蓋。油液推動以各自齒輪軸為中心的橢圓齒輪副嚙合轉(zhuǎn)動后從另一油口流出。

上下端蓋組成的計量室由高強度鋼材料組成，橢圓齒輪副是耐磨的銅材料。油液從左右兩側(cè)進(jìn)出，且以油液不直接沖擊齒輪為好，把進(jìn)出入計量室的通道有傾斜一定角度，同時，也可提高表頭耐壓性能。

密封裝置保證油液不向傳感器殼體外泄漏，簡稱外泄漏，外泄漏會造成浪費和環(huán)境污染。與之對應(yīng)的還有內(nèi)泄漏，內(nèi)泄漏是指液壓系統(tǒng)內(nèi)部有少量液體從高壓腔流向低壓腔的泄露。內(nèi)泄漏會造成效率下降，測量精度降低。通過合理的尺寸參數(shù)選擇以及加工精度，盡量減少內(nèi)泄漏。

2 二次儀表開發(fā)

2. 1 信號處理電路設(shè)計

二次儀表將傳感器輸出的脈沖信號經(jīng)過處理，*終顯示在液晶屏幕( LCD) 上，其模塊圖如圖3二次儀表應(yīng)該具有工作響應(yīng)快、量程比滿足需要以及外表美觀等特點。另外，數(shù)據(jù)存儲功能也是*的，一方面將油耗數(shù)據(jù)存儲起來，另一方面，通過固化程序?qū)崿F(xiàn)誤差的補償及修正功能。作為一個人機(jī)接口，設(shè)置友好的操作方法至關(guān)重要。達(dá)到便于讀數(shù)、查詢、設(shè)置以及管理的目地。

二次儀表所用液晶屏為OCMJ4X8C，采用SPI串行通信方式與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。時鐘芯片選用SD2400EEPROM 型，該芯片內(nèi)置晶振，且自身帶有ROM，用來存儲測量數(shù)據(jù)。

2. 2 軟件設(shè)計

軟件主程序流程圖見圖5。系統(tǒng)上電時，首*行液晶屏初始化程序、中斷設(shè)置以及軟件看門狗設(shè)置等初始化操作。由于所用單片機(jī)與LCD 液晶屏通信數(shù)據(jù)量大，需要一定時間，所以必須設(shè)置一個刷新顯示標(biāo)志位，通過定時器每隔一段時間顯示一次測量數(shù)據(jù)，刷新一次系統(tǒng)時鐘，保證單片機(jī)不會丟失流量脈沖計數(shù)。實際使用時，當(dāng)油耗增加一定量時，需要將耗油量和時間儲存到外部ROM 中，通過設(shè)置數(shù)據(jù)儲存標(biāo)志位實現(xiàn)這一目的，便于以后查閱和管理。

3 實驗系統(tǒng)及結(jié)果討論

3. 1 實驗系統(tǒng)

在油泵試驗臺上完成*終的功能驗證實驗，如圖7 所示，采用一個柴油機(jī)油泵，模擬實際柴油機(jī)的工況運行。

所用油泵試驗臺是泰安泰山金石機(jī)械有限責(zé)任公司的DB2000-ⅡA 型噴油泵試驗臺，其主軸轉(zhuǎn)速范圍為0 ～ 4 000 r /min，可試噴油泵缸數(shù)為12，主軸*大輸出功率為11 kW，氣路壓力為-0. 1 MPa ～ 1. 0MPa。利用油泵試驗臺可實現(xiàn)對其上玻璃量杯卸油次數(shù)的控制，卸油總量作為模擬耗油量，與二次儀表顯示值比較。通過試驗臺可實現(xiàn)對進(jìn)油管和回油管壓力的控制，使其與柴油機(jī)運行時相配。試驗臺回油管有一個轉(zhuǎn)子流量計( 精度: 1. 5 級) ，可將回油管流速顯示出來。

實驗設(shè)計是基于內(nèi)燃機(jī)三種工況，*大扭矩轉(zhuǎn)速、*大功率轉(zhuǎn)速和起動轉(zhuǎn)速。所選用北京天偉油泵廠的六缸PB 型噴油泵，適合在180 kW 柴油機(jī)上使用。將油泵安裝在油泵試驗臺上，實驗時保證進(jìn)油管和回油管的壓力分別為0. 1 MPa、0. 05 MPa，符合實際的工作壓力，油溫設(shè)定為25 ℃。

實驗系統(tǒng)框圖如圖8 所示，分流功能由油泵試驗臺實現(xiàn)，玻璃量筒示數(shù)即為實際耗油量，可**讀出，精度為1 mL，與樣機(jī)示數(shù)相比較，可以對樣機(jī)進(jìn)行簡單標(biāo)定。轉(zhuǎn)子流量計為油泵試驗臺所固有，將其連在回油管上，可提供回油管通過的實際流量，加上玻璃量筒示數(shù)即可得到進(jìn)油管流量，與二次儀表測得值進(jìn)行對比。

3. 2 實驗結(jié)果及討論

油泵在*大功率轉(zhuǎn)速、*大扭矩轉(zhuǎn)速、起動轉(zhuǎn)速三種工況下進(jìn)行實驗，記錄每個狀態(tài)二次儀表進(jìn)油、回油、耗油讀數(shù)以及試驗臺玻璃量筒讀數(shù)、壓力、油泵轉(zhuǎn)速、玻璃量筒卸油次數(shù)，還有轉(zhuǎn)子流量計讀數(shù)。通過試驗臺的卸油操作實現(xiàn)對玻璃量筒耗油的控制。每個狀態(tài)重復(fù)進(jìn)行三次，實驗數(shù)據(jù)見表1。

在三種工況下，系統(tǒng)三次重復(fù)測量得到的三組數(shù)據(jù)曲線吻合的較好( 圖9) ，說明系統(tǒng)工作穩(wěn)定，有一定的測量重復(fù)性。

本文研究了針對內(nèi)燃機(jī)耗油量的橢圓齒輪流量計，選用橢圓齒輪的測量形式，設(shè)計了表頭機(jī)械結(jié)構(gòu)，開發(fā)了二次儀表。建立了實驗測試平臺，在內(nèi)燃機(jī)*大功率轉(zhuǎn)速、*大扭矩轉(zhuǎn)速和起動轉(zhuǎn)速下進(jìn)行測試，測試結(jié)果為進(jìn)一步改進(jìn)流量計提供科學(xué)依據(jù)。實驗表明，兩個表頭都存在內(nèi)泄漏，并且隨著轉(zhuǎn)速增大而減小。盡管存在內(nèi)泄漏，但利用進(jìn)油量與回油量之差計算實際耗油量時，一部分泄漏量相互抵消，使得測量結(jié)果接近于參考值，由圖10 計算得知在*大功率轉(zhuǎn)速、*大扭矩轉(zhuǎn)速和起動轉(zhuǎn)速下相對誤差分別為0. 8%、0. 9% 和32. 3%，說明油泵轉(zhuǎn)速越大時，測得值與參考值越接近。

通過分析實驗數(shù)據(jù)，提出了從兩個方面提高測量精度，一是改進(jìn)表頭工藝參數(shù)，在不影響表頭壽命的情況下，盡量減小計量室，即降低每個脈沖對應(yīng)的油量，使得內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速一定時，橢圓齒輪旋轉(zhuǎn)速度加大，減小泄漏。同時，控制好間隙，從根本上減小泄漏。二是采用軟件補償?shù)姆椒?，通過測得測量值與參考值偏差規(guī)律，軟件上進(jìn)行實時補償和修正。