CN200996845Y - 高精度容积式流量检测仪 - Google Patents

Abstract

一种高精度的容积式流量检测仪。主要解决利用容积式流量计进行计量时因存在漏流现象而产生测量误差的问题。其特征在于：所述检测仪包括由差压变送器(2)、电流电压转换器(3)、A/D转换器(4)、单片机(5)、变频电路(6)及变频电机(7)构成的反馈控制系统，其中差压变送器(2)的两个传感器探头安装在容积式流量计本体(1)中液体入口和出口处，其电流信号输出端作为反馈控制系统的控制信号输入端，变频电机(7)与容积式流量计本体(1)中的仪表转子部分同轴联结。该种高精度容积式流量检测仪以普通的容积式流量计作为测量本体通过增加外部辅助设备尽量减小漏流现象，从而降低测量误差，具有提高检测精度的特点。

Description

高精度容积式流量检测仪

技术领域：

本实用新型涉及一种用于检测液体流量的仪器，具体的说是涉及一种高精度的容积式流量检测仪。

背景技术：

容积式流量计又称排量流量计，简称PD流量计或PDF，它利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分，根据计量室逐次、重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流量体积总量。目前虽然有许多分割方法形成各种形式的PDF，但大部分容积式流量计都存在着一些误差，这些误差随着流量大小不同而上下变化，由此影响了容积式流量计设计精度的实现。通过分析发现，这些误差是由于容积式流量计中存在漏流现象而引起的，即有漏流量存在。所谓漏流量指的就是通过转动件与外壳之间的间隙，直接从入口流向出口而没有被计量的流体量。

实用新型内容：

为了解决容积式流量计中因存在漏流现象而产生测量误差的问题，本实用新型提供一种高精度容积式流量检测仪，该种高精度容积式流量检测仪以普通的容积式流量计作为测量本体通过增加外部辅助设备尽量减小漏流现象，从而降低测量误差，具有提高检测精度的特点。

本实用新型的技术方案是：该种高精度容积式流量检测仪，包括容积式流量计本体、差压变送器、电流电压转换器、A/D转换器、单片机、变频电路及变频电机，其中差压变送器的两个传感器探头安装在容积式流量计本体中液体入口和出口处，其电流信号输出端连接至电流电压转换器的电流信号输入端，电流电压转换器的电压信号输出端连接至A/D转换器的模拟量输入端，其数字量输出端连接至单片机的数字信号输入端，单片机的控制信号输出端连接至变频电路的控制信号输入端，变频电路控制变频电机转动，变频电机与容积式流量计本体中的仪表转子部分同轴联结。

本实用新型具有如下有益效果：由于采取上述方案，在容积型计量仪表检测流量的同时，加入了检测仪表入口和出口压差的传感器，并将单片机作为核心控制单元，单片机接收压差信号后在内部预存程序的控制下通过变频电路控制辅助电机转动，从而驱动容积型计量仪表转子部分转动，由此控制入口和出口的压差为最小，使叶片泄漏控制在最小，达到提高检测精度的目的。此外，还可在控制部分应用嵌入式设计检测控制的新方法，完成检测与控制部分之间的协调。

附图说明：

图1是本实用新型的组成示意图。

图2是本实用新型中电流电压转换器的电路图。

图3是本实用新型中控制部分的原理图。

图中1-容积式流量计本体，2-差压变送器，3-电流电压转换器，4-A/D转换器，5-单片机，6-变频电路，7-变频电机。

具体实施方式：

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

由图1所示，该种高精度容积式流量检测仪，包括容积式流量计本体1、差压变送器2、电流电压转换器3、A/D转换器4、单片机5、变频电路6及变频电机7，其中差压变送器2的两个传感器探头安装在容积式流量计本体1中液体入口和出口处，其电流信号输出端连接至电流电压转换器3的电流信号输入端，电流电压转换器3的电压信号输出端连接至A/D转换器4的模拟量输入端，其数字量输出端连接至单片机5的数字信号输入端，单片机5的控制信号输出端连接至变频电路6的控制信号输入端，变频电路6控制变频电机7转动，变频电机7与容积式流量计本体1中的仪表转子部分同轴联结。

下面详细阐述本实用新型的构思过程：

容积式流量计又称排量流量计，简称PD流量计或PDF，在流量仪表中是精度较高的一类，它利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分，根据计量室逐次、重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流量体积总量。PDF从原理上讲是一台从流体中吸收少量能量的水力发动机，这个能量用来克服流量检测元件和附件转动的摩擦力，同时在仪表流入与流出两端形成压力降。典型的椭圆齿轮式的工作原理为两个椭圆齿轮具有相互滚动进行接触旋转的特殊形状，P1和P2分别表示入口压力和出口压力，下方齿轮在两侧压力差的作用下，产生逆时针方向旋转，为主动轮；上方齿轮因两侧压力相等，不产生旋转力矩，是从动轮，由下方齿轮带动，顺时针方向旋转。两个齿轮均在差压作用下产生旋转力矩，继续旋转。到某一位置时，上方齿轮变为主动轮，下方齿轮则成为从动轮，继续旋转完成一个循环。一次循环动作排出四个由齿轮与壳壁间围成的新月形空腔的流体体积，该体积称作流量计的“循环体积”。设流量计″循环体积″为v，一定时间内齿轮转动次数为N，则在该时间内流过流量计的流体体积为V，则V＝Nv。椭圆齿轮的转动通过磁性密封联轴器及传动减速机构传递给计数器直接指示出流经流量计的总量。虽然有许多分割方法形成各种形式的PDF，但大部分都有相似的基本特征。容积式流量计的误差，随着流量大小不同而上下变化。按容积式流量计计量原理计算，理论上误差曲线是一条与横轴平行的直线，但实际上却是曲线，从曲线上可以看出在小流量时，误差是负值，随着流量增大，误差逐渐由负方向向着正方向移动并稳定在其值上，这是由于容积式流量计中存在漏流现象而引起的。所谓漏流量指的是通过转动件与外壳之间的间隙，直接从入口流向出口而没有被计量的流体量。漏流量是一切液体容积式流量计共有的特性之一，它与计量室构成有关，其密封形式有下三种：

1.机械密封，这种密封会在计量过程中产生较高压力损失。

2.表面张力密封，这种密封形式在容积流量计中用得最多，主要是使壳体和运动部件之间，留有一定的间隙，靠这间隙内的流体密封。

3.在计量室内沿壁放入一块弹性材料，使其随之沿壁运动，使置换的体积增大，而不能漏至另一个计量室。

由于密封面间隙很小，而转动部件与壳体之间的间隙比较大，因此间隙中流动可以看成平行平面的流动。设间隙为a，沿流动力一向的长度为L，运动部件厚度为b，运动部件前后压力损失为ΔP，流体粘度为μ，则根据平行平板理论，漏流量为：

$q_s=C\·\frac{a^{3}b}{L}\·\frac{\mathrm{\ΔP}}{\mathrm{\μ}}$

从此可以看出漏流量与间隙宽度a³成正比，与压力差成正比。因此，漏流量随着间隙的增大而增大，另一方面，流量越大，运动部件前后的压力损失也越大，因此漏流量就越大。有漏流量存在时的基本误差公式为：

$E=\frac{\mathrm{\α}}{v}(1-\frac{q_s}{q_v})-1$

q_v：流过流量计的体积流量；

q_s：单位时间的漏流量；

V：体积为V的流体流经流量计时，从间隙中漏出的漏流量；

a：传输齿轮比；

v：运动部件一次循环计量室所构成的容积。

由上式可以看出齿轮比a，计量室容积v均为常数，因此，流量计的误差随流量变化的关系主要受漏流量的影响。压力损失ΔP、流体粘度为μ是影响q_s的关键，也就是说是影响基本误差E随流量大小变动的主要因素。

液体容积式流量计中的运动部件是利用流体流动产生的动力，推动运动部件进行恒定运动。在这个过程中，产生机械摩擦力阻力。当流体流经流量计时，还会产生由粘性阻力引起的流动阻力，为了维持流量计正常运转，流量计的进出口之间必须有一定的压力差，以克服摩擦阻力和流动阻力。这个压力差，就是压力损失ΔP，此值足较大的。

当流量计间隙很小，并在粘度较高的流体中使用时，可认为间隙中的漏流是粘性流动。

因为

$q_s=C_1\frac{\mathrm{\ΔP}}{\mathrm{\μ}},$ 其中C₁为常数

所以

$E=\frac{\mathrm{\α}}{v}(1-\frac{q_s}{q_v})-1=\frac{\mathrm{\α}}{v}-1-\frac{\mathrm{\α}}{v}{C}_1\frac{\mathrm{\ΔP}}{{\mathrm{\μq}}_v}=C_2-C_3\frac{\mathrm{\ΔP}}{{\mathrm{\μq}}_v}$

其中， $C_2=\frac{\mathrm{\α}}{v}-1,$ $C_3=\frac{\mathrm{\α}}{v}$

由上式可以看出，测量误差随压力损失的增大而增大，随粘度的增大而减小。因此考虑到为了减小容积式流量计的误差，提高其检测精度，最主要的一个做法就是要尽量消除压力损失。于是产生了本实用新型的技术方案雏形：在容积式流量计检测流量的同时，加入检测仪表入口和出口压差的传感器，这一压差信号被输入一个反馈环作为输入信号，将该反馈环的输出信号作为驱动容积式流量计转子部分转动的控制信号，由此控制入口和出口的压差为最小，使叶片泄漏控制在最小，达到提高检测精度的目的。

下面是一个本方案得到具体实现的例子。

首先，加装差压变送器2。将差压变送器2的两个传感器探头安装在容积式流量计本体1中液体入口和出口处，从而检测容积式流量计入口、出口的压力差，差压变送器2的电流信号输出端连接至电流电压转换器3的电流信号输入端，电流电压转换器3的电压信号输出端连接至A/D转换器4的模拟量输入端，差压变送器2输出信号为4-20mA的电流信号，经电流电压转换器3转换后送A/D转换器4。

图2是本实用新型中电流电压转换器的电路图。该转换电路以4mA为满量程的0％对应-10V；12mA为50％对应0V；20mA为100％对应+10V，图中A1运放采用差动输入，其转换电压用电阻R1两端接电流环两端，阻值用500Ω，可由二只1KΩ电阻并联实现。这样输入电流4mA对应电压2V，输入电流20mA对应电压10V。A1设计增益为1，对应输出电压为-2V～-10V。故要求电阻R2，R3，R4和R5+RW阻值相等。这里选R2＝R3＝R4＝10KΩ；选R5＝9.1KΩ，RW1＝2KΩ。Rw1是用于调整由于电阻元件不对称造成的误差，使输出电压对应在-2V～-10V。变化范围为-2-(-10)＝8V。

而最终输出应为-10V～+10V，变化范围10V-(-10V)＝20V，故A2级增益为20V/8V＝2.5倍，又输入电流为12mA时，A1输出电压为-12mA×0.5mA＝-6V.此时要求A2输出为0V。故在A2反相输入端加入一个+6V的直流电压，使A2输出为0。A2运放采用反相加法器，增益为2.5倍。取R6＝R7＝10KΩ，R9＝22KΩ，RW2＝5KΩ，R8＝R6//R7//R9＝4KΩ，取标称值R8＝3.9KΩ。反相加法器引入电压为6V，通过稳压管经电阻分压取得。稳压管可选稳定电压介于6～8V间的系列。这里取6V2，稳定电压为6.2V。工作电流定在5mA左右。电位器电流控制在1～2mA左右。RW2用于设置改变增益或变换的斜率，4mA为-10V、20mA为+10V，通过调整RW2使变换电路输出满足设计要求。

如图1所示，A/D转换器的数字量输出端连接至单片机5的数字信号输入端，单片机5的控制信号输出端连接至变频电路6的控制信号输入端，变频电路6控制变频电机7转动，变频电机7与容积式流量计本体1中的仪表转子部分同轴联结。

如图3本实用新型中控制部分的原理图所示，控制部分主要由8051单片机、时钟电路、通讯接口、光电耦合、IPM逆变器、整流模块、转速检测和故障检测、报警电路等组成，执行部分为三相异步交流电动机。系统的工作原理为：电机的转速由转速传感器转换成矩形脉冲信号，经光电隔离后进入单片机计数器，由计数器值获得电机的实际转速，与设定转速比较，经Fuzzy-PID控制器调节后，单片机产生的PWM波经6N137线性光耦进行电气隔离后作用于逆变模块IPM，实现电机的闭环变频调速。霍尔电流、电压传感器将检测到的逆变模块的三相输出电流、电压信号，经采样保持后进入单片机，完成A/D转换后，由CPU进行处理。逆变模块工作时所需要的直流电压信号由整流电路对380V电源进行全桥整流得到。

本实用新型通过建立反馈控制使入口和出口的压差为最小，使叶片泄漏控制在最小，从而将容积式流量计测得数据的误差值降到最低，达到了提高检测精度的目的，解决了长久以来困扰工程技术人员的测量误差问题。

Claims (1)

1、一种高精度容积式流量检测仪，包括容积式流量计本体(1)，其特征在于：所述检测仪还包括其它部分，分别为差压变送器(2)、电流电压转换器(3)、A/D转换器(4)、单片机(5)、变频电路(6)及变频电机(7)，其中差压变送器(2)的两个传感器探头安装在容积式流量计本体(1)中液体入口和出口处，其电流信号输出端连接至电流电压转换器(3)的电流信号输入端，电流电压转换器(3)的电压信号输出端连接至A/D转换器(4)的模拟量输入端，其数字量输出端连接至单片机(5)的数字信号输入端，单片机(5)的控制信号输出端连接至变频电路(6)的控制信号输入端，变频电路(6)控制变频电机(7)转动，变频电机(7)与容积式流量计本体(1)中的仪表转子部分同轴联结。

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