橢圓齒輪流量計(jì)可選用機(jī)械顯示表頭和電子顯示表頭兩種計(jì)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(lèi)型的液體測(cè)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(diǎn)，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(jì)量。

工作原理

橢圓齒輪流量計(jì)是由計(jì)量箱和裝在計(jì)量箱內(nèi)的一對(duì)橢圓齒輪，與上下蓋板構(gòu)成一個(gè)密封的初月形空腔（由于齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，所以不是優(yōu)良密封的）作為一次排量的計(jì)算單位。當(dāng)被測(cè)液體經(jīng)管道進(jìn)入流量計(jì)時(shí)，由于進(jìn)出口處產(chǎn)生的壓力差推動(dòng)一對(duì)齒輪連續(xù)旋轉(zhuǎn)，不斷地把經(jīng)初月形空腔計(jì)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(cè)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(cè)液體粘度：2～200mpa.s，可定制高粘度

3）被測(cè)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(hào)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(cè)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(jì)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(cè)介質(zhì)中雜物卡死流量計(jì)，必須在表前安裝過(guò)濾器配套使用。

橢圓齒輪流量計(jì)應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)油耗測(cè)量系統(tǒng)

介紹一種用于測(cè)量?jī)?nèi)燃機(jī)耗油的流量計(jì)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)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(cè)量形式，開(kāi)發(fā)了二次儀表。利用一臺(tái)噴油泵試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了系統(tǒng)性能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，根據(jù)內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際工作狀況，在內(nèi)燃機(jī)三種工況下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，即*大扭矩轉(zhuǎn)速、*大功率轉(zhuǎn)速以及起動(dòng)轉(zhuǎn)速。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該測(cè)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(cè)量誤差相對(duì)小，分別為0. 9%和0. 8%，但在起動(dòng)轉(zhuǎn)速工況下誤差大，為32. 3%。同時(shí)，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(guò)分析測(cè)量數(shù)據(jù)，提出了從表頭工藝參數(shù)和軟件補(bǔ)償兩個(gè)方面提高測(cè)量精度。

內(nèi)燃機(jī)一般有進(jìn)油管和回油管，通過(guò)油泵進(jìn)行循環(huán)，兩管流量之差即為實(shí)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(dòng)轉(zhuǎn)速。所設(shè)計(jì)的橢圓齒輪流量計(jì)要求必須在三種極限工況下均能正常工作。同時(shí)，機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)流，則所選傳感器應(yīng)對(duì)脈動(dòng)流不敏感。另外，燃油粘度也是一個(gè)需要考慮的因素。綜合以上因素，采用容積式流量測(cè)量法，選取橢圓齒輪的測(cè)量形式。橢圓齒輪流量計(jì)具有精度高[6]( 一般為0. 5%，特殊達(dá)到0. 2%) 、對(duì)安裝要求低，在旋轉(zhuǎn)流和管道阻流件流速場(chǎng)突變時(shí)對(duì)計(jì)量**度沒(méi)有影響，沒(méi)有前置直管段要求，安裝簡(jiǎn)單，占據(jù)空間較小。測(cè)量范圍寬，對(duì)流體粘度不敏感，適于對(duì)燃油的測(cè)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(cè)量要求。在橢圓齒輪上裝有磁鋼，利用霍爾效應(yīng)[7，9]對(duì)橢圓齒輪的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)二次儀表，包括信號(hào)調(diào)理電路與顯示部分。

本文根據(jù)內(nèi)燃機(jī)實(shí)際工作狀況設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)，模擬其在三種極限工況下工作。實(shí)驗(yàn)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(cè)量誤差相對(duì)較小，但在起動(dòng)轉(zhuǎn)速下誤差大。*后，通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)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(cè)量原理

測(cè)量原理如圖1 所示。測(cè)量部分由兩個(gè)相互嚙合的橢圓齒輪及其外殼( 計(jì)量室) 所構(gòu)成。在一個(gè)橢圓齒輪上對(duì)等各安裝一磁鋼，流體通過(guò)時(shí)，會(huì)引起橢圓齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，這種轉(zhuǎn)動(dòng)相當(dāng)于對(duì)空間磁場(chǎng)進(jìn)行了調(diào)制。然后，利用磁敏檢測(cè)原理，將周期性磁場(chǎng)變化信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，*終通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路將流量值顯示出來(lái)。

橢圓齒輪流量計(jì)在被測(cè)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(dòng)。在Ⅰ位置時(shí)，A 為主動(dòng)輪，B 為從動(dòng)輪，這是由于P1>P2，兩者的合力矩使輪A 順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)輪B 作逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng); Ⅱ?yàn)橹虚g位置，A 和B 均為主動(dòng)輪; 而在Ⅲ位置時(shí)，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(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，并把已吸入半月形容積內(nèi)的介質(zhì)排至出口，這時(shí)B 為主動(dòng)輪，A 為從動(dòng)輪。如此往復(fù)循環(huán)，輪A 和輪B 互相交替地由一個(gè)帶動(dòng)另一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，將被測(cè)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(cè)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(jì)量室殼體半徑對(duì)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(zhǎng)半軸，b 為橢圓齒輪短半軸，R 為計(jì)量室殼體半徑，L 為橢圓齒輪軸向高度。實(shí)際使用時(shí)，由于加工、裝配誤差等原因，必須對(duì)每個(gè)表頭進(jìn)行標(biāo)定。

1. 2 傳感器結(jié)構(gòu)

檢測(cè)系統(tǒng)傳感器也稱(chēng)為表頭，主要包括計(jì)量室、轉(zhuǎn)軸、橢圓齒輪副、墊圈、霍爾開(kāi)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(jì)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(gè)橢圓齒輪安裝兩枚磁鋼( 位于長(zhǎng)軸上，成180°布置) ，霍爾開(kāi)關(guān)安裝在上端蓋。油液推動(dòng)以各自齒輪軸為中心的橢圓齒輪副嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)后從另一油口流出。

上下端蓋組成的計(jì)量室由高強(qiáng)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(jì)量室的通道有傾斜一定角度，同時(shí)，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(jiǎn)稱(chēng)外泄漏，外泄漏會(huì)造成浪費(fèi)和環(huán)境污染。與之對(duì)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(huì)造成效率下降，測(cè)量精度降低。通過(guò)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(kāi)發(fā)

2. 1 信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

二次儀表將傳感器輸出的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)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(diǎn)。另外，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能也是*的，一方面將油耗數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)，另一方面，通過(guò)固化程序?qū)崿F(xiàn)誤差的補(bǔ)償及修正功能。作為一個(gè)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(xún)、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(shí)鐘芯片選用SD2400EEPROM 型，該芯片內(nèi)置晶振，且自身帶有ROM，用來(lái)存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)。

2. 2 軟件設(shè)計(jì)

軟件主程序流程圖見(jiàn)圖5。系統(tǒng)上電時(shí)，首*行液晶屏初始化程序、中斷設(shè)置以及軟件看門(mén)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(shí)間，所以必須設(shè)置一個(gè)刷新顯示標(biāo)志位，通過(guò)定時(shí)器每隔一段時(shí)間顯示一次測(cè)量數(shù)據(jù)，刷新一次系統(tǒng)時(shí)鐘，保證單片機(jī)不會(huì)丟失流量脈沖計(jì)數(shù)。實(shí)際使用時(shí)，當(dāng)油耗增加一定量時(shí)，需要將耗油量和時(shí)間儲(chǔ)存到外部ROM 中，通過(guò)設(shè)置數(shù)據(jù)儲(chǔ)存標(biāo)志位實(shí)現(xiàn)這一目的，便于以后查閱和管理。

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及結(jié)果討論

3. 1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

在油泵試驗(yàn)臺(tái)上完成*終的功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，如圖7 所示，采用一個(gè)柴油機(jī)油泵，模擬實(shí)際柴油機(jī)的工況運(yùn)行。

所用油泵試驗(yàn)臺(tái)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(yàn)臺(tái)，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(yàn)臺(tái)可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)試驗(yàn)臺(tái)可實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)油管和回油管壓力的控制，使其與柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)相配。試驗(yàn)臺(tái)回油管有一個(gè)轉(zhuǎn)子流量計(jì)( 精度: 1. 5 級(jí)) ，可將回油管流速顯示出來(lái)。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(dòng)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(yàn)臺(tái)上，實(shí)驗(yàn)時(shí)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(shí)際的工作壓力，油溫設(shè)定為25 ℃。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖如圖8 所示，分流功能由油泵試驗(yàn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)，玻璃量筒示數(shù)即為實(shí)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(duì)樣機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單標(biāo)定。轉(zhuǎn)子流量計(jì)為油泵試驗(yàn)臺(tái)所固有，將其連在回油管上，可提供回油管通過(guò)的實(shí)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(cè)得值進(jìn)行對(duì)比。

3. 2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

油泵在*大功率轉(zhuǎn)速、*大扭矩轉(zhuǎn)速、起動(dòng)轉(zhuǎn)速三種工況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄每個(gè)狀態(tài)二次儀表進(jìn)油、回油、耗油讀數(shù)以及試驗(yàn)臺(tái)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(jì)讀數(shù)。通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)的卸油操作實(shí)現(xiàn)對(duì)玻璃量筒耗油的控制。每個(gè)狀態(tài)重復(fù)進(jìn)行三次，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

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

本文研究了針對(duì)內(nèi)燃機(jī)耗油量的橢圓齒輪流量計(jì)，選用橢圓齒輪的測(cè)量形式，設(shè)計(jì)了表頭機(jī)械結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)了二次儀表。建立了實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，在內(nèi)燃機(jī)*大功率轉(zhuǎn)速、*大扭矩轉(zhuǎn)速和起動(dòng)轉(zhuǎn)速下進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果為進(jìn)一步改進(jìn)流量計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。實(shí)驗(yàn)表明，兩個(gè)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(jì)算實(shí)際耗油量時(shí)，一部分泄漏量相互抵消，使得測(cè)量結(jié)果接近于參考值，由圖10 計(jì)算得知在*大功率轉(zhuǎn)速、*大扭矩轉(zhuǎn)速和起動(dòng)轉(zhuǎn)速下相對(duì)誤差分別為0. 8%、0. 9% 和32. 3%，說(shuō)明油泵轉(zhuǎn)速越大時(shí)，測(cè)得值與參考值越接近。

通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出了從兩個(gè)方面提高測(cè)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(jì)量室，即降低每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的油量，使得內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，橢圓齒輪旋轉(zhuǎn)速度加大，減小泄漏。同時(shí)，控制好間隙，從根本上減小泄漏。二是采用軟件補(bǔ)償?shù)姆椒?，通過(guò)測(cè)得測(cè)量值與參考值偏差規(guī)律，軟件上進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償和修正。