CN1104323A - 耐温椭圆齿轮流量计 - Google Patents

Abstract

一种耐温椭圆齿轮流量计属容积式流量计。它 由装在机壳内的计量箱和箱内的一对椭圆齿轮组 成。两个椭圆齿轮的转轴彼此平等，其截面为椭圆的 长轴互相垂直。选择壳体、计量箱和椭圆齿轮的材料 组合，并保持转动部件与静止部件间的适当间隙，以 适应热膨胀条件的要求。本流量计还有由带磁极的 齿轮组、磁力偶合器和记录器构成的温度、压力、流量 补偿系统，进一步提高了本流量计的测量精度，可达 ±0.5％，本流量计可广泛用于石油、化工等企业生产 计量的工作中，并有防爆及远距离发讯的能力。

Description

本发明涉及液体计量装置，特别涉及一种适用于高温液体计量的容积式流量计。

石油加工过程中，流量是重要的计量参数;其中很多情况涉及高温介质的流量测量。目前，生产中实际用于测量高温液体流量的装置为简易测量孔板，即在高温介质通过的管路中以法兰结构嵌入中心部分有圆孔的金属板，并在迎流面圆孔周缘做倒角处理，以利于介质以稳流形式通过圆孔。孔板的规格主要由工作条件下的工艺参数决定，此外也与其法兰的公称直径有关，如DN40、50、80、100和150等规格。使用时根据介质流过孔板的流速及几何尺寸即可算出单位时间内流过介质的质量，实现介质的流量测量。

目前广泛采用的这种孔板测量装置，因其结构简单，只有单一材料制成的孔板，易于满足高温条件的工作要求。但它仅能属于非精确的计量，尤其使用寿命很短，更难以承受介质内杂质的侵蚀，致使孔径表面粗糙度遭到破坏，这又进一步降低了测量的精度。

本发明的目的在于提供一种适于测量高温介质流量、耐腐蚀的容积式流量计，可提高测量的准确性及测量精度的稳定性，并能适于现场测量。

上述目的是以如下方式实现的：

本发明的容积式耐温流量计有一铸钢制成的壳体，围成一立体部分呈圆柱形的空间，空间内容纳有同样容积的计量箱。计量箱两圆形箱盖周缘嵌装在壳体的侧壁中，其间有限位装置，使计量箱与壳体成为相对固定的联接，组成计量箱的侧壁部分与邻近的壳体内表面间留有适当间隙，以满足其中高温介质引起的材料间热膨胀要求。

计量箱的空腔内装有转动部件。所述转动部件系两个互相啮合的、截面呈椭圆的柱状椭圆齿轮构成。通过两个齿轮截面中心的转轴彼此平行，分别支承于嵌在计量箱盖内的孔中。两齿轮椭圆截面的长轴（或短轴）彼此垂直。两个齿轮的几何尺寸完全一样，齿数及模数也都一样。这样的结构确保计量箱内的空间被分隔成容积大小始终保持为常数，且彼此相等的两个月牙腔。当椭圆齿轮旋转一周时，通过流量计的流体总量总保持为常数，等于月牙形空腔容积的四倍。从而可保持流体通过流量计的稳定性。

为适应高温介质的工作条件，应恰当选择并确保椭圆齿轮外缘与计量箱月牙腔侧壁内表面以及该二齿轮与计量箱两盖内表面间的间隙，使椭圆齿轮在60～350℃环境中灵活转动，又能保持通过流体流量的均匀性。此外还应保持轴承垫与计量箱的盖之间，以及轴承与轴间的恰当间隙，使轴能灵活转动且不渗漏流体。

选择具有高温条件下防腐蚀能力的材料制作计量箱和盖，以及椭圆齿轮。此外要恰当选择壳体、计量箱和椭圆齿轮的材料组合，使其间有良好的热膨胀配合，并能充分保障高温条件（如350℃）下容器的密封性及转动部件与静止部件的间隙。

为此，本发明按照有限元数学模型导出膨胀系数的变化规律，并可选用下列几种材料组合方式：

	制作壳体材料	制作计量箱／椭圆齿轮材料
			材料组合1	灰铸铁  HT20－40	球墨铸铁QT42－10
材料组合2	铸钢ZG35II	球墨铸铁QT42－10
			材料组合3	铸钢ZG35II	不锈钢Cr18Ni12Mo2Ti
材料组合4	不锈钢G18Ni12Mo2Ti	不锈钢Cr18Ni12Mo2Ti

本发明轴承可取石墨浸铜和锑的材料制成。

为提高测量精度，本发明的容积式流量计采用机电一体化自动补偿措施，以补偿因流体温度变化对其粘度的影响，进而给测量结果带来的误差。为此，本流量计附有由齿轮对，磁力偶合器和记录器组成的信号转换及自动补偿系统。

在壳体内，计量箱的上盖外侧有一个镶在椭圆齿轮轴端并与该椭圆齿轮同步旋转的菱形齿轮，它与一个转轴固定在计量箱上盖外侧中心的矩形齿轮啮合，这是一对齿轮组，用来使由椭圆齿轮传出的转速均匀，从而使输出信号稳定可靠。齿轮上端连接着磁力偶合器，随着齿轮的旋转带动磁力偶合器同步旋转，产生一个变化的磁场。由壳体外对应的电磁传感器感应产生相应的电信号。磁力偶合器可用现有技术的同类装置与计录器连接。

上述电信号经记录器中的A-D转换器转换成相应的数字信号后送入单片CPU。CPU内事光存入温度一压力-流速公式，而且对应不同的流体成份，有多条这类公式，此外，机内还存有调整系数，根据输入的温度、流量、压力以及粘度等参数选择不同的公式及调整系数，综合温度传感器、压力传感器传来的信号，对测量结果实现自动补偿流量值，并将实际流量显示在液晶数显器上。

上述补偿系统在壳体外面的部分采取了妥善的散热措施，使记录器成为具有防爆能力的发讯系统，在实现本流量计可现场使用的同时，也可以实现远距离的数据采集或连接计算机系统，实现集中控制和显示。

采用本发明的椭圆齿轮流量计可适用于高达350℃的原油、渣油、重质油等的流量测量。其测量精度可达±0.5%以内，若实际流量超过设计最大流量25%以上时，测量精度可达到±0.2%以内。本流量计具有高温条件下耐腐蚀性能。能以液晶显示方式显示瞬时流量和累积总量。并可置于现场使用，还可实现远距离发现或实现计算机集中管理。

以下结合附图通过具体实例，详细描述本发明耐温椭圆齿轮流量计的具体实施方式。其中：

图1是以局部剖面表示的本发明耐温椭圆齿轮流量计结构示意图;

图2是沿图1A-A线的本发明流量计剖面结构图;

图3表示本发明流量计使用时的布线管路图，用以说明其动作过程。

图1和图2所表示的耐温椭圆齿轮流量计系用于250℃下渣油热原料管路上计量装置的具体结构。其中壳体1系用ZG35Ⅱ铸钢制成，其主体部分为圆柱形的侧壁，侧壁上相对两面装有连接法兰，用于与管路连接。壳体1内壁形成的空腔中与壳体1相对固定地装有Cr18Ni12M_O2Ti材料制成的计量箱2。计量箱的两个盖板2a，2b的外缘嵌入壳体1侧壁的内表面。构成计量箱2的侧壁外表面与壳体1的侧壁内表面留有50～80μm的间隙。计量箱侧壁与盖板均由Cr18Ni12M_O2Ti材料制成。侧壁横截面为圆环形。

计量箱2内装有两个几何尺寸完全相同的横截面为椭圆的柱状椭圆齿轮3a，3b;它们也是由Cr18Ni12M_O2Ti材料制成。椭圆齿轮的转轴支承于盖板2b中的轴承内。轴承由石墨浸铜材料制成。

椭圆齿轮3a轴端装有齿轮4a，与中间的齿轮4b啮合;齿轮4b上端连接着磁力偶合器5。它们一起套在转轴7上;磁力偶合器5上端装有一对对应磁极的永磁材料制成的磁钢5a，5b。

磁力偶合器5经过散热器8与记录器6连接。记录器中装有A/D转换器、单片CPU以及液晶显示板。因A/D转换器、单片CPU、液晶显示板不属于本发明的内容，故不详述。

单片CPU内预先存有精度修正公式：

（1）E_μ＝A-（A-E₁）·μ₁/μ

式中：E_μ-被测液体的粘度为μ时的基本误差;

E₁-检验液体的粘度为μ₁时的基本误差;

A-流量计固有误差;

A＝E₁+（E^' ₁-E^' ₂）·Q₁/（Q₂-Q₁）

式中：E^' ₁-检验液体在流量为Q₁时的误差;

E^' ₂-检验液体在流量为Q₂时的误差;

Q₁-检验时，下限流量检验值，一般可取Q₁＝15%·Qmax;

Q₂-检验时，上限流量检验值;

μ₁-检验时的液体粘度;

μ-实际使用时的液体粘度。

（2）E_μ＝E₁+（E₂-E₁）·μ₂·（μ-μ₁）/μ·（μ₂-μ₁）

式中：E_μ-被测液体的粘度为μ时的基本误差;

E₁-被测液体的粘度为μ₁时的基本误差;

E₂-被测液体的粘度为μ₂时的基本误差;

μ₁，μ₂-分别为两种检验液体的粘度。

（3）E＝E^' _μ·A·（T-T₁）

式中：E-被测液体温度为T时的基本误差;

E^' _μ-由温度引起的液体粘度变化的基本误差;

T-被测液体的温度;

T₁-检验液体的温度;

A-流量计计量室及转子材料的温度系数，A＝3·λ;

λ-流量计计量室及转子材料的线膨胀系数。

（4）V₂₀＝V_t·ξ_t

式中：V₂₀-标准状态（20℃）下的液体体积;

V_t-温度为t时的液体体积;

ξ-温度修正系数，ξ_t＝1-β·（t-20）;

β-液体的体积膨胀系数。

（5）V_O＝V_p·/ξ_p

式中：V_O-标准条件下液体的体积;

V_p-压力为P时的液体体积;

ξ_p-压力修正系数，ξ_p＝1-γ·（P_t-P_O）

γ-在一定温度下，压力每变化一个大气压，液体体积的变化值，即液体压缩系数;

P_t-被测液体的压力;

P_O-标准大气压。

这个椭圆齿轮流量计使用的温度范围在225～350℃，适于测量流量范围在12～120m³/h的热原料油，管内的公称压力可在2.5MPa。利用本流量计的测量精度可达±0.5%。

图3表示本发明的流量计实际使用时的布线管路。那在主管路上流量计前后分别布置阀门A和B，再于侧线上布置阀门C。使用本发明流量计测量管路中的液体流量，应按下述步骤操作：

（1）将阀门A和B关严;

（2）慢慢开启阀门C，直至在操作温度下，侧线中液体流量达到稳定时，方可将阀门C完全打开;

（3）在阀门C已开启并且阀门B仍为关闭的状态下，缓慢地开启阀门A，使液体进入流量计，当流量计的温度与操作温度平衡时，再将阀门A完全打开;

（4）随后，慢慢开启阀门B至其全部孔径的5%左右，使得仅能有小流量的液体通过流量计。如果此时流量计的椭圆齿轮不动，这时无需改变各阀门的位置，当流量计的温度进一步与操作温度均匀后，上述齿轮就能转动。也就是说，在测量计的椭圆齿轮转动之前，不要增大阀门B的开启程度。

（5）随着流量计的运转渐趋稳定，逐步完全找开阀门B;

（6）与此同时最终关闭阀门C。至此，流量计完全进入正常的测量状态。

Claims (6)

1、一种耐温椭圆齿轮流量计，其特征在于，它包括：

-壳体(1)，其圆柱形主体部分围成一空间；

-所述壳体(1)的空间内装有计量箱(2)，其两个圆形盖板(2a，2b)嵌入壳体(1)侧壁的内表面，该计量箱的横截面为圆环状，侧壁外表面与壳体(1)的侧壁内表面间有间隙；

-计量箱(2)内装有几何尺寸相同、横截面为椭圆的两个柱形椭圆齿轮(3a，3b)，两个齿轮互相啮合，其转轴彼此平行，二齿轮与计量箱侧壁内表面有间隙，齿轮的转轴支承在计量箱盖(2b)中的轴承内；

-壳体(1)由HT20-40灰铸铁制成，计量箱(2)和椭圆齿轮(3a，3b)均由QT42-10球墨铸铁制成；

-轴承为石墨浸铜和锑的合金制成；

-轴承与计量箱盖板(2a，2b)及轴承套与轴间有间隙；

-椭圆齿轮(3a)的转轴的外端装有齿轮(4a)，与中间的齿轮(4b)啮合，齿轮(4b)套在转轴(7)上，组成齿轮组；

-齿轮(4b)上端连接磁力偶合器(5)，磁力偶合器上端装有一对对应磁极的永磁材料制成的磁钢(5a，5b)；

-磁力偶合器(5)与记录器(6)通过散热器(8)相连，记录器(6)中有A/D转换器、单片CPU和液晶显示板；

2、一种耐温椭圆齿轮流量计，其特征在于，它包括：

-壳体（1），其圆柱形主体部分围成一空间;

-所述壳体（1）的空间内装有计量箱（2），其两个圆形盖板（2a，2b）嵌入壳体（1）侧壁的内表面，该计量箱的横截面为圆环状侧壁外表面与壳体（1）的侧壁内表面间有间隙;

-计量箱（2）内装有几何尺寸相同，横截面为椭圆的两个柱形椭圆齿轮（3a，3b），两个齿轮互相啮合，其转轴彼此平行，二齿轮与计量箱侧壁内表面有间隙，齿轮的转轴支承在计量箱盖板（2b）中的轴承内;

-壳体（1）由ZG35Ⅱ铸钢制成，计量箱（2）和椭圆齿轮（3a，3b）均由QT42-10球墨铸铁制成;

-轴承为石墨浸铜和锑的合金制成;

-轴承与计量箱盖板（2a，2b）及轴承套与轴间有间隙;

-椭圆齿轮（3a）的转轴的外端装有齿轮（4a），与中间的齿轮（4b）啮合，齿轮（4b）套在转轴（7）上，组成齿轮组;

-齿轮（4b）上端连接磁力偶合器（5），磁力偶合器上端装有一对对应磁极的永磁材料制成的磁板（5a，5b）;

-磁力偶合器（5）与记录器（6）通过散热器（8）相连，记录器（6）中有A/D转换器、单片CPU和液晶显示板;

3、一种耐温椭圆齿轮流量计，其特征在于，它包括：

-壳体（1），其圆柱形主体部分围成一空间;

-所述壳体（1）的空间内装有计量箱（2），其两个圆形盖板（2a，2b）嵌入壳体（1）侧壁的内表面，计量箱的横截面为圆环状侧壁外表面与壳体（1）的侧壁内表面间有间隙;

-计量箱（2）内装有几何尺寸相同，横截面为椭圆的两个柱形椭圆齿轮（3a，3b），两个齿轮互相啮合，其转轴彼此平行，二齿轮与计量箱侧壁内表面有间隙，齿轮的转轴支承在计量箱盖板（2b）中的轴承内;

-壳体（1）由ZG35Ⅱ铸钢制成，计量箱（2）和椭圆齿轮（3a，3b）均由Cr18Ni12Mo2Ti不锈钢制成;

-轴承为石墨浸铜和锑的合金制成;

-轴承与计量箱盖板（2a，2b）及轴承套与轴间有间隙;

-椭圆齿轮（3a）的转轴的外端装有齿轮（4a），与中间的齿轮（4b）啮合，齿轮（4b）套在转轴（7）上，组成齿轮组;

-齿轮（4b）上端连接磁力偶合器（5），磁力偶合器上端装有一对对应磁极的永磁材料制成的磁钢（5a，5b）;

-磁力偶合器（5）与记录器（6）通过散热器（8）相连，记录器（6）中有A/D转换器、单片CPU和液晶显示板;

4、一种耐温椭圆齿轮流量计，其特征在于，它包括：

-壳体（1），其圆柱形立体部分围成一空间;

-所述壳体（1）的空间内装有计量箱（2），其两个圆形盖板（2a，2b）嵌入壳体（1）侧壁的内表面，该计量箱的横截面为圆环状侧壁外表面与壳体（1）的侧壁内表面间有间隙;

-计量箱（2）内装有几何尺寸相同，横截面为椭圆的两个柱形椭圆齿轮（3a，3b），两个齿轮互相啮合，其转轴彼此平行，二齿轮与计量箱侧壁内表面有间隙，齿轮的转轴支承在计量箱盖板（2b）中的轴承内;

-壳体（1）、计量箱（2）和椭圆齿轮（3a，3b）都由不锈钢制成;

-轴承为石墨浸铜和锑的合金制成;

-轴承与计量箱盖板（2a，2b）及轴承套与轴间有间隙;

-椭圆齿轮（3a）的转轴的外端装有齿轮（4a），与中间的齿轮（4b）啮合，齿轮（4b）套在转轴（7）上，组成齿轮组;

-齿轮（4b）上端连接磁力偶合器（5），磁力偶合器上端装有一对对应磁极的永磁材料制成的磁钢（5a，5b）;

-磁力偶合器（5）与计录器（6）通过散热器（8）相连，记录器（6）中有A/D转换器、单片CPU和液晶显示板;

5、一种如权利要求4所述的耐温椭圆齿轮流量计，其特征在于所述不锈钢的成份为：Cr18Ni12Mo2Ti。

6、一种如权利要求1到5任一项所述的耐温椭圆齿轮流量计，其特征在于所述单片CPU内预存精度修正公式：

E_μ＝A-（A-E₁）·μ₁/μ;

E_μ＝E₁+（E₂-E₁）·μ₂·（μ-μ₂）/μ（μ₂-μ₁）;

E＝E'·A·（T-T₁）;

V₂₀＝V_t·ξ_t;

V_O＝V_p/ξ_p;

其中：

E_μ，E₁，E₂分别为被测液体粘度为μ，μ₁，μ₂时的基本误差，

E为被测液体温度为T时的基本误差，

E_μ为因温度引起液体粘度变化的基本误差，

A为流量计计量室和转子材料的温度系数，

V_O、V_p、V₂₀、V_t分别为标准条件下、压力为P、温度为20℃、温度为t时的液体体积，ξ_t、ξ_p分别为温度修正系数和压力修正系数。

Images