影像測(cè)量?jī)x
壓技術(shù)是以流動(dòng)液體為工作介質(zhì), 以壓力和流量為特性參量實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換、傳遞和分配的一種技術(shù)。壓力和流量特性直接地表征了液壓元件和液壓系統(tǒng)品質(zhì)的優(yōu)劣。因此, 在液壓領(lǐng)域中, 壓力和流量的測(cè)量就顯得尤為重要。
由于流量的測(cè)量往往會(huì)受到介質(zhì)本身的黏度和密度, 溫度以及來流的流速畸變和旋轉(zhuǎn)流的影響, 所以相對(duì)壓力而言流量測(cè)量更為復(fù)雜, 這也是為什么流量測(cè)量?jī)x表的種類雖然達(dá)百種之多卻沒有一種對(duì)任何流體、任何量程、任何流動(dòng)狀態(tài)以及任何使用條件都適用的流量?jī)x表。
隨著液壓技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用的不斷深入, 對(duì)流體介質(zhì)流量的測(cè)量精確度的要求也越來越高。高精度的流量計(jì)的研究也越來越受到人們的重視。
眾所周知, 液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)是石油基液壓油。而自1930 年容積式流量計(jì)正式開始應(yīng)用于石油液體的計(jì)量, 發(fā)展至今, 它被公認(rèn)是石油液體計(jì)量中最準(zhǔn)確的一種流量計(jì)。
容積式流量計(jì)
容積式流量計(jì)是利用一個(gè)精密的標(biāo)準(zhǔn)容器對(duì)被測(cè)流體進(jìn)行連續(xù)測(cè)量的, 因而影響測(cè)量準(zhǔn)確度的因素較少, 不會(huì)受到流體黏度、密度、流動(dòng)狀態(tài)以及雷諾數(shù)的影響, 測(cè)量的準(zhǔn)確度也較高。
尤其是近年來, 隨著其在材料選取、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工工藝等方面有了很大的改進(jìn), 性能也在不斷提高。VSE公司的齒輪流量計(jì)的精度達(dá)到了 ±0.3% ； KRAL 公司的螺桿流量計(jì)的精度可以達(dá)到 ±0.1%； Dresser Wayne公司的刮板式流量計(jì)的精度甚至可以達(dá)到 ±0.05%，而且其重復(fù)性也很好。
容積式流量計(jì)的原理
1、容積式流量計(jì)結(jié)構(gòu)和分類
容積式流量計(jì)又稱為定排量流量計(jì) ( positive displacement flowmeter ) 。它主要由計(jì)量本體和測(cè)量部分組成,。計(jì)量本體由殼體、活動(dòng)體 ( 轉(zhuǎn)子流量計(jì)的轉(zhuǎn)子 ) 組成。其中核心部件就是活動(dòng)體, 它是測(cè)量過程中的運(yùn)動(dòng)部件。活動(dòng)體和殼體構(gòu)成的每個(gè)測(cè)量腔就是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)容積單元, 用來衡量被測(cè)流體的體積。測(cè)量部分實(shí)際上是一個(gè)轉(zhuǎn)速或計(jì)數(shù)傳感器, 螺桿流量計(jì)上的其中一只螺桿伸出的小齒輪上嵌有磁材料, 螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)傳感器可以通過磁效應(yīng)識(shí)別螺桿的轉(zhuǎn)速, 并轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)或電流信號(hào)。這樣流量就可以直接用二次儀表顯示或被計(jì)算機(jī)采集并分析了。
容積式流量計(jì)種類繁多, 可以根據(jù)不同的原則來分類。通常按照測(cè)量元件的結(jié)構(gòu)分為轉(zhuǎn)子式、刮板式、旋轉(zhuǎn)活塞式、往復(fù)活塞式和膜片式等，其中轉(zhuǎn)子式最為常用, 轉(zhuǎn)子式的流量計(jì)的銷售額約占到容積式流量計(jì)總銷售額的90 %。常見的齒輪式、螺桿式、腰輪式、卵輪式流量計(jì)都屬于轉(zhuǎn)子式。
2、容積式流量計(jì)的原理
容積式流量計(jì)種類很多, 都采用了定排量的測(cè)量方法, 但細(xì)節(jié)上還是有較大的差別。液壓領(lǐng)域中常見的還是轉(zhuǎn)子式的流量計(jì), 其工作原理都是利用機(jī)械測(cè)量元件把來流連續(xù)地分割為單個(gè)或幾個(gè)已知體積的部分, 根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)計(jì)量腔體充液的次數(shù)來計(jì)量通過流體的體積。轉(zhuǎn)子式中又以齒輪式和螺桿式用的更普遍一些。
3、容積式流量計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)
容積式流量計(jì)長(zhǎng)期以來被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程的流量測(cè)量, 并迅速擴(kuò)展到醫(yī)療、精密化工、食品工業(yè)等領(lǐng)域的計(jì)量。這說明了容積式流量計(jì)具有很多優(yōu)良的特性：
(1)測(cè)量精度高，重復(fù)性好，而且影響測(cè)量準(zhǔn)確度的因素比較少。液體的黏度, 流體速度場(chǎng)的變化等因素對(duì)其測(cè)量精確度影響很小。
(2)由于旋轉(zhuǎn)流和流速場(chǎng)畸變對(duì)精確度沒有影響, 所以安裝簡(jiǎn)易, 不需要穩(wěn)流裝置和前置長(zhǎng)直管,所以對(duì)于實(shí)際使用很有現(xiàn)實(shí)意義。
(3)使用的黏度范圍很寬, 尤其對(duì)于高黏度液體測(cè)量精確度效果也很好 。
(4)可測(cè)量的流量范圍比較廣, 相對(duì)于一般流量計(jì) 10∶1 和 5∶1 的測(cè)量比, 有的容器式流量計(jì)可以達(dá)到30∶1 , 甚至更大。
(5)容積式流量計(jì)可以有直讀式儀表, 無需其他外加能源, 操作簡(jiǎn)單, 清晰明了。
(6)因?yàn)槿莘e式流量計(jì)是直接用體積來計(jì)算的,相對(duì)于其他如速度式等推導(dǎo)體積流量計(jì)而言, 受到的影響因素少一些。
當(dāng)然, 受制于材料、加工工藝和自身結(jié)構(gòu)的影響,目前, 容積式流量計(jì)也有著一些缺陷：
(1)由于與被測(cè)管道直接相連接安裝, 所以口徑較大時(shí), 儀表就顯得比較笨重,搬運(yùn)安裝比較麻煩。
(2)由于機(jī)械材料低溫變脆, 高溫膨脹變形, 限制了容積式流量計(jì)使用的溫度范圍和壓力等級(jí)。
(3)因?yàn)橛幸恍┗顒?dòng)部件, 所以不適用臟的、含有固體雜質(zhì)的被測(cè)液體, 過濾精度要求高。此外, 流體還必須用來驅(qū)動(dòng)活動(dòng)部件使流量計(jì)正常工作, 所以壓損較大。
容積式流量計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)
1、活動(dòng)部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
活動(dòng)部件是容積式流量計(jì)的核心部件, 比如轉(zhuǎn)子式的轉(zhuǎn)子, 活塞式的活塞, 其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)往往需要經(jīng)過反復(fù)的論證和計(jì)算。它和殼體構(gòu)成了容積流量計(jì)的容積腔體, 容積過大, 所受的力和力矩就會(huì)增加;容積過小, 導(dǎo)致活動(dòng)部件動(dòng)作過于頻繁, 通流量也很小。因此, 活動(dòng)部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵。
在結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度允許的條件下, 齒輪式流量計(jì)的齒輪設(shè)計(jì)根據(jù)GB1357-88 齒輪模數(shù)序列, 優(yōu)選出模數(shù)、齒高、齒數(shù)、分度圓直徑、齒根圓和齒頂圓直徑等齒輪參數(shù)。而螺桿流量計(jì)設(shè)計(jì)時(shí),要充分考慮兩個(gè)螺桿所受的力矩情況, 最好能使兩者之間的力矩平衡,從而減小螺桿之間的沖擊, 達(dá)到降低噪聲和延長(zhǎng)壽命的效果。兩個(gè)螺桿在各個(gè)狀態(tài)下的力矩是不相等的, 而且存在主動(dòng)、從動(dòng)之分。合理的設(shè)計(jì)螺桿結(jié)構(gòu), 完全可以使兩個(gè)螺桿所受轉(zhuǎn)矩平衡, 消除轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)帶來的負(fù)面影響。那怎么才能使轉(zhuǎn)矩平衡而又維持不變呢。除了正確設(shè)計(jì)螺桿之外,還要要求兩個(gè)螺桿的齒形完全一致, 齒兩側(cè)的曲面也完全對(duì)稱, 而且轉(zhuǎn)子的長(zhǎng)度應(yīng)為螺距的整數(shù)倍, 只有這樣才能使螺桿嚙合接觸線兩面高低壓受力面積相等, 在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中沒有變化, 液壓轉(zhuǎn)矩就均勻不變了。此外, 活動(dòng)部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)好壞會(huì)直接決定流量計(jì)泄漏、承受壓力情況、精密程度。所以活動(dòng)部件的結(jié)構(gòu)是容積式流量計(jì)技術(shù)中最為關(guān)鍵的一環(huán)。
2、活動(dòng)部件的間隙
容積式流量計(jì)的容積腔不是密閉固定的, 容積腔要隨著轉(zhuǎn)動(dòng)部件轉(zhuǎn)動(dòng)。因此, 活動(dòng)部件和流量計(jì)殼體之間必然存在著間隙。該間隙既要保證活動(dòng)部件轉(zhuǎn)動(dòng)靈活, 減小壓損和磨損, 又要使間隙的泄漏盡可能的少, 因?yàn)樾孤┲苯佑绊懙搅藴y(cè)量的精確度。理論上, 該間隙應(yīng)為零, 實(shí)際上很難達(dá)到。例如腰輪流量計(jì)和橢圓齒輪流量計(jì)的轉(zhuǎn)子和殼體的間隙一般都設(shè)在 0.1mm左右。一般不會(huì)超過 0.15 mm。如果能使間隙 δ < 0.1mm , 泄漏的流體處于腔體壁的層流區(qū)邊界層，此層的流速近似為零, 實(shí)現(xiàn)近似的零泄漏，δ 也就認(rèn)為近似為零了。
3、流量計(jì)的材質(zhì)容腔
積式流量計(jì)靠精確的容腔來計(jì)量流量, 構(gòu)成容腔的轉(zhuǎn)子、腔體的材料將會(huì)影響到流量計(jì)的性能和品質(zhì)。首先, 材料的力學(xué)性能制約著流量計(jì)使用的壓力等級(jí)。在高壓流體中, 轉(zhuǎn)子或殼體受高壓影響可能產(chǎn)生變形, 腔體的容積隨之發(fā)生變化;而且變形很可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子和腔體壁間的間隙偏離原來的設(shè)計(jì)值, 如果變大, 泄漏增大, 變小, 轉(zhuǎn)子就會(huì)磨損。這些都將影響流量計(jì)的精確度。這就是為什么早期的容積式流量計(jì)的設(shè)計(jì)壓力普遍偏低。
其次, 容積式流量部件由于存在活動(dòng)部件, 計(jì)量過程中活動(dòng)部件連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn), 而且大流量時(shí)還要高速運(yùn)轉(zhuǎn), 因此磨損的問題就凸現(xiàn)出來了。材質(zhì)的抗磨性能就成了影響流量計(jì)壽命和精度的重要因素。
再次, 液壓油連續(xù)工作中的溫升是很嚴(yán)重的, 所以材質(zhì)的熱變形性也是設(shè)計(jì)流量計(jì)時(shí)需要考慮的問題。還有當(dāng)環(huán)境溫度極低時(shí), 還要注意材質(zhì)的冷脆性, 因?yàn)榇嘈韵拗屏肆髁坑?jì)的工作壓力。例如某公司的螺桿流量計(jì), 應(yīng)用于高壓的耐高溫的 OMH 系列流量計(jì)殼體一般是精模鑄造的灰鑄鐵, 轉(zhuǎn)子螺桿一般選用用力學(xué)性能和耐磨性很好的氮化鋼, 壓力可以達(dá)到 42 MPa , 其中應(yīng)用石油鉆井平臺(tái)上的最高壓力可達(dá)到 103.5MPa ;低壓的 OME 系列殼體選用重量輕、耐磨的氧化鋁;還有用于化工行業(yè)流體計(jì)量的 OMK 系列中轉(zhuǎn)子選用了含15 %石墨的聚四氟乙烯材料, 使轉(zhuǎn)子可以抵抗一些化工產(chǎn)品的強(qiáng)腐蝕性。由此可見, 容積流量計(jì)的材質(zhì)也是決定其性能的關(guān)鍵因素之一。
容積式流量計(jì)的應(yīng)用
容積式流量計(jì)的這種定排量的流量測(cè)試方法可以追溯到18 世紀(jì), 在20 世紀(jì)30 年代進(jìn)入普遍的商業(yè)應(yīng)用階段。近年來, PD 流量計(jì)在有的工業(yè)發(fā)達(dá)國家的銷售額超過了20 %, 在我國也大約占到了20 % 。其主要應(yīng)用在石油基介質(zhì)的計(jì)量中。但由于其精確的計(jì)量特性, 近年來, 迅速擴(kuò)展到化工、食品、醫(yī)療等部門也采用它來精確計(jì)量昂貴介質(zhì)的總量和流量。
在石油方面的測(cè)量中, 已經(jīng)制定了使用容積式流量計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)的國際標(biāo)準(zhǔn) ( ISO/DIS2714 ) 。而且高精度、長(zhǎng)期性能保持性和高重復(fù)性的容積式流量計(jì)也被用來作為工業(yè)流量計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn)儀表, 對(duì)工業(yè)儀表進(jìn)行校準(zhǔn)和標(biāo)定。
隨著液壓技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展, 對(duì)流量計(jì)量精度的要求也越來越高。而作為計(jì)量最為精確的一類流量計(jì), 容積式流量計(jì)在此領(lǐng)域?qū)⒗^續(xù)發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。而且隨著加工工藝水平的提高和材料科學(xué)的發(fā)展, 經(jīng)過不斷完善其關(guān)鍵技術(shù), 容積式流量計(jì)將會(huì)獲得更為廣泛的應(yīng)用。
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