縱議容積式流量計(jì)
更新時(shí)間:2010-12-16 點(diǎn)擊次數(shù):2475次
推薦一種全新的,性能*的,容積式流量計(jì)—雙轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)活塞式流量計(jì)
世界上流行的容積式流量計(jì),在國內(nèi)均有生產(chǎn),但都處于仿制階段
,沒有一種容積式流量計(jì)
,具備獨(dú)立的中國知識產(chǎn)權(quán)
。在結(jié)構(gòu)上
,國內(nèi)外產(chǎn)品相差不大
,但在計(jì)量性能上,國內(nèi)產(chǎn)品仍落后于*水平
。當(dāng)用于低粘度輕質(zhì)燃料油
,如車用汽油和航空煤油(簡稱汽煤油)時(shí),這種差距尤為突出
。究其原因是:主要因我國的技術(shù)工藝水平落后
;其次,這些流量計(jì)的結(jié)構(gòu)本身存在問題
,它們不適合用于低粘度介質(zhì)的高準(zhǔn)確度計(jì)量
。主要原因有二:所有做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的流量計(jì)均采用線密封
,密封效果不佳;這些流量計(jì)中zui少有一個(gè)型面結(jié)構(gòu)的重要零件
,對型面很難進(jìn)行精密加工
,直接降低了計(jì)量準(zhǔn)確度。
作者提出,計(jì)量汽煤油的高準(zhǔn)確度流量計(jì)
,應(yīng)具備三個(gè)條件:
1、保留旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,摒棄往復(fù)運(yùn)動
。往復(fù)活塞流量計(jì)只能用于極小流量;2
、采用面密封
,摒棄線密封;3
、采用圓柱面及平面結(jié)構(gòu)
,摒棄型面結(jié)構(gòu)。
經(jīng)多年潛心研究,終于設(shè)計(jì)成功滿足上述三要求的產(chǎn)品,被命名為《雙轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)活塞式流量計(jì)》,簡稱SXL流量計(jì)。并獲得國家發(fā)明,號為95103885.0,作者趙汝沅為權(quán)人。申請前,曾對世界各國的文獻(xiàn)上溯20年進(jìn)行檢索,連近似案例也未查到。故本發(fā)明有較高的新穎性和創(chuàng)造性
。它不局限于一個(gè)具體的產(chǎn)品,對多因素排列組合后
,可發(fā)展成為一個(gè)龐大的產(chǎn)品體系
。工藝手段成熟后可推向國外,在計(jì)量汽煤油的場合
,我們的結(jié)構(gòu)方案優(yōu)于國外產(chǎn)品
,這是具有中國獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)的容積式流計(jì)?div id="jpandex" class="focus-wrap mb20 cf">!?/font>
一、流量計(jì)是世界上應(yīng)用zui廣泛的計(jì)量器具之一
“流量計(jì)” 是測量呈流動狀態(tài)的物質(zhì)量的儀器。流動狀態(tài)的物質(zhì)包括氣體、液體
、更復(fù)雜的還有氣液
、液固、液液
、氣液固等兩相或三相狀態(tài)的物質(zhì)
。所以流量計(jì)的測量對象函蓋了一個(gè)非常寬泛的范圍。
在市場經(jīng)濟(jì)的前題下,將流量計(jì)用作貿(mào)易交接的依據(jù)
,是對流量計(jì)需求量zui大的場合。家家戶戶安裝的水表
、煤氣表(或天然氣表)
,公路邊加油站中矗立的加油機(jī)都是這種應(yīng)用的實(shí)例。對流量計(jì)需求數(shù)量僅次于貿(mào)易交接的還有:工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的過程控制
,和各種不同類型的科學(xué)研究與科學(xué)試驗(yàn)
。在這些方面對流量計(jì)不同品種規(guī)格、不同性能
、不同數(shù)量的需求也是相當(dāng)可觀的
。不夸張地說,除了家用電器外
,流量計(jì)是社會需求量相當(dāng)大的工業(yè)產(chǎn)品之一
。
二、用于含金量高的流體物資的流量計(jì)
,要求其計(jì)量準(zhǔn)確度也高
。
在商品社會里,流量計(jì)具有突出的經(jīng)濟(jì)屬性。
用句通俗的話說,越是值錢的東西
,要求計(jì)量的越準(zhǔn)
。自來水
、煤氣或天然氣
、車用汽油都是對人類社會重要的稀缺物資和能源。當(dāng)使用相同的計(jì)量單位
,在進(jìn)行比較時(shí),會發(fā)現(xiàn)其含金量相差非常懸殊
。以北京的物價(jià)為例
,每立方米的天然氣和自來水的價(jià)格是2-4元,而車用汽油每立方米的價(jià)格是5000元左右
,兩者相差約1250~2500倍
。對于計(jì)量它們的流量計(jì)的要求,相差也很懸殊
。自來水表和熱水表的允許示值誤差是±2%~±5%
,膜式煤氣表的示值誤差定為±1.5%~±4%
。加油站中的加油機(jī)在計(jì)量車用汽油的過程中,其允許的示值誤差是±0.3%
。就計(jì)量誤差而言
,兩大類相差5-16倍。
對于含金量高的物資在貿(mào)易交接中,由于計(jì)量誤差的存在
,必然給貿(mào)易雙方的其中一方,造成經(jīng)濟(jì)損失
。計(jì)量誤差越大
,這種經(jīng)濟(jì)損失也越大,這是貿(mào)易雙方都不愿看到的
。因此產(chǎn)生了對高準(zhǔn)確度流量計(jì)的強(qiáng)烈需求
。
±0.2%和±0.5的流量計(jì),其計(jì)量誤差間的差值,一般是0.3%
,zui多可達(dá)0.7%。一座5000立方米的油罐
,在完成一次排空或注滿的過程中
,如果分別采用±0.2%和±0.5的兩種流量計(jì),其間形成的差值將是15~35立方米
,介質(zhì)如是車用汽油
,其價(jià)格將是7.5~17.5萬元。所以貿(mào)易雙方都愿出高價(jià)
,購買貨真價(jià)實(shí)的真正高準(zhǔn)確度的流量計(jì)
。
除了作為能源的各種燃料油以外,石化行業(yè)的其他流體產(chǎn)品 ;呈流體狀態(tài)的有機(jī)或無機(jī)的化工原料
、中間體、成品
;液體食品如奶及奶制品
、飲料及酒類;醫(yī)藥行業(yè)中的流體物料等
,均屬含金量高的物資
。在其生產(chǎn)過程和流通領(lǐng)域里均需高準(zhǔn)確度的流量計(jì)。
我國目前作為能源用的成品油 ,其年需求量大約是1.5億噸
,其中汽煤油和輕柴油各占一半。1.5億噸油大致有2億立方米,成品油從煉油廠生產(chǎn)出來后
,到達(dá)真正消費(fèi)者之間
,假定平均三易其主,在這些貿(mào)易交接中
,在全國范圍內(nèi)要進(jìn)行6億立方米一次的達(dá)到0.2級的精密流量計(jì)量
。這對高準(zhǔn)確流量計(jì)是一個(gè)多么龐大的需求量。
三、容積式流量計(jì)在流體物資貿(mào)易交接中的特殊地位
流量計(jì)是一個(gè)非常龐大的家族,容積式流量計(jì)是這個(gè)家族中的成員之一,而且是zui古老的成員
。
容積式流量計(jì)有強(qiáng)大的生命力,久盛不衰,在流體物資的貿(mào)易交接中
,作為計(jì)量依據(jù)
,并*,是由以下原因造成的:
1.容積式流量可以達(dá)到很高的計(jì)量準(zhǔn)確度,作為標(biāo)準(zhǔn)表用的流量計(jì),其示值誤差可控制在±0.1%范圍之內(nèi)。
2.在貿(mào)易交接中,人們只關(guān)心被計(jì)量物資(介質(zhì))的總量,即流量計(jì)量的累計(jì)量,并不關(guān)注瞬時(shí)流量的大小。容積式流量計(jì)恰巧能滿足這一要求。容積式流量計(jì),計(jì)量的結(jié)果就是流體物資的總量,或稱為被計(jì)量介質(zhì)的累積量。
3.容積式流量計(jì)對流場的變動很不敏感,并有很強(qiáng)的適應(yīng)能力。它對被計(jì)量介質(zhì)的壓力、流速,是層流還是紊流均無特殊要求。介質(zhì)的溫度發(fā)生變化時(shí),亦可有效地進(jìn)行修正。許多速度式流量計(jì),在其上下游均應(yīng)有一段特殊要求的直管段 ,而容積式流量計(jì)則*沒有這種必要。流場的變動
,在貿(mào)易交接的計(jì)量中是經(jīng)常發(fā)生的。
4.對眾多物理性因素的干擾,容積式流量計(jì)都有很好的抗御能力
。在計(jì)量環(huán)境內(nèi)
,如發(fā)生電場的變動、磁場的變動
、電磁波的干擾
、存在著一個(gè)固定的或變動的震動源,上述因素對于電磁流量計(jì)
,渦街流量計(jì)
,超聲波流量計(jì),根據(jù)哥氏加速度原理設(shè)計(jì)的質(zhì)量流量計(jì)等
,均對其計(jì)量質(zhì)量形成負(fù)面影響
,降低其計(jì)量準(zhǔn)確度。而容積式流量計(jì)則基本上不受這些因素的干擾
。
5.根據(jù)哥氏加速度原理設(shè)計(jì)的質(zhì)量流量計(jì)
,它的計(jì)量準(zhǔn)確度也相當(dāng)高,但是其通徑范圍受到限制
,計(jì)量中的能量消耗較大
。容積式流量計(jì)則相反,它的通徑范圍很寬
,開封儀表廠為黃島油庫設(shè)計(jì)制造的腰輪流量計(jì)
,其通徑達(dá)到500mm。容積式流量計(jì)在計(jì)量中的能量消耗
,比質(zhì)量流量計(jì)要少得多
。
與任何技術(shù)方案一樣,對容積式流量計(jì)也應(yīng)一分為二,它的不足主要表現(xiàn)在:大通徑的容積式流量計(jì)體大笨重;參與計(jì)量的部件加工精密,制造成本高;安裝要求嚴(yán)格;對被計(jì)量介質(zhì)中的固體雜質(zhì)敏感,容易卡死,一般在流量計(jì)上游應(yīng)安裝過濾器。
四、在世界范圍和我國常用的容積式流量計(jì)
容積式流量計(jì)的結(jié)構(gòu)方案非常多,經(jīng)過競爭,優(yōu)勝劣汰,在世界范圍內(nèi),常用的容積式流量計(jì)大體如圖1所示。按順序它們是:
1. 腰輪流量計(jì);
2. 橢圓齒輪流量計(jì);
3. 內(nèi)凸輪葉片流量計(jì);
4. 外凸輪葉片流量計(jì);
5. 端面葉片流量計(jì);
6. 雙轉(zhuǎn)子流量計(jì);
7. 三轉(zhuǎn)子流量計(jì);
8. 單轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)活塞流量計(jì);
9. 往復(fù)活塞流量計(jì)。
其中,端面葉片流量計(jì)和三轉(zhuǎn)子流量計(jì)尚未在國內(nèi)生產(chǎn)外,其余的7種流量計(jì)在我國均有企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)
,并形成了相當(dāng)?shù)囊?guī)模
。在改革開放前,腰輪流量計(jì)和橢圓齒輪流量計(jì)是我國容積式流量計(jì)行業(yè)的主要產(chǎn)品
,其余的幾種類型
,都是在改革開放后逐步開發(fā)出來的。
往復(fù)活塞流量計(jì)在加油機(jī)中使用,它的準(zhǔn)確度很高,但是它的通徑受到限制,只能在25mm以下,僅用于給汽車加油。因?yàn)楫?dāng)通徑增大后,流量計(jì)內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動的部件的尺寸和質(zhì)量會大幅度增加,往復(fù)運(yùn)動產(chǎn)生的巨大慣性力,會形成一個(gè)強(qiáng)大的振動源,這個(gè)振動源能破壞計(jì)量系統(tǒng)和計(jì)量準(zhǔn)確度。
以上9種流量計(jì)全部是由國外開發(fā)的。不僅是容積式流量計(jì),我國的整個(gè)流量計(jì)行業(yè)都處在仿制階段。仿制品的外形和結(jié)構(gòu)與國外產(chǎn)品大體相似,但產(chǎn)品性能和計(jì)量準(zhǔn)確度則總比人家稍遜*。究其原因,大約不外以下幾個(gè)方面:
1. 在仿制中對原創(chuàng)意圖并未*了解,只做到形似而未神似。例如,腰輪的外廓是一條連續(xù)的光滑的共軛曲線,不少企業(yè)的產(chǎn)品圖上,確是用幾條不同的圓弧拼湊起來的;橢圓齒輪的外廓也不是嚴(yán)格意義上的橢圓,而是一個(gè)特定形狀的卵形曲線;單轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)活塞流量計(jì),活塞的腹板上有個(gè)水滴狀的缺口,許多生產(chǎn)企業(yè)并不知道這個(gè)缺口曲線的方程。
2. 現(xiàn)有的容積式流量計(jì),參與計(jì)量的關(guān)鍵零部件多由復(fù)雜型面構(gòu)成
,其中雙轉(zhuǎn)子流量計(jì)的轉(zhuǎn)子,是由三維的型面組成
,加工這些型面需要精密的機(jī)床
,刀具,工裝
,即使測量這些表面
,也需設(shè)備。我們的企業(yè)不具備這些條件
,因工藝質(zhì)量的問題
,導(dǎo)至產(chǎn)品性能的降低。
3. 我們的產(chǎn)品質(zhì)量管理體系還不完善
。
五、容積式流量計(jì)的工作機(jī)理
在圖1所示的容積式流量計(jì)中有以下的共同特點(diǎn):
1. 所有的流量計(jì)都是由運(yùn)動部件和相對靜止部件(例如殼體)組成,除序號9的往復(fù)活塞流量計(jì)的運(yùn)動部件做往復(fù)運(yùn)動外,其余的8種流量計(jì)的運(yùn)動部件都做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動
。
2. 運(yùn)動部件與靜止部之間在某個(gè)位置,能形成一個(gè)封閉的空間,這個(gè)空間的容積是固定的被稱為測量室(Measuring chamber見JJG1004-86)(或稱計(jì)量室)
,測量室在介質(zhì)進(jìn)口附近形成,并移向出口將被計(jì)量介質(zhì)排出
,以完成計(jì)量過程
。每一種流量計(jì)都有一個(gè)訊號輸出軸,軸轉(zhuǎn)動一圈代表流量計(jì)完成了一個(gè)工作循環(huán)
,在一個(gè)工作循環(huán)中zui少有一個(gè)
,也可能是多個(gè)測量室容積的介質(zhì)被計(jì)量過,即由流量計(jì)進(jìn)口輸向出口
。在一個(gè)工作循環(huán)中一個(gè)或多個(gè)測量室的總?cè)莘e值
,被記為v。
3. 所有運(yùn)動部件能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動的動力,均來自對被計(jì)量介質(zhì)能量的消耗。運(yùn)動部件被計(jì)量介質(zhì)驅(qū)動后,流量計(jì)進(jìn)口處的壓力高于出口處的壓力。其差值被記為△p
4. 在運(yùn)動部件和靜止部件銜接處(或稱zui接近的地方),兩者之間必須保持一定的間隙。這個(gè)間隙有雙重的意義或雙重的作用。
A. 為產(chǎn)生相對運(yùn)動所必須。兩者之間如果是零間隙或負(fù)間隙
,甚至間隙過小,都可能發(fā)生“抱死”
,使相對運(yùn)動無法進(jìn)行
,這是流量計(jì)的機(jī)理所不允許的。
B. 運(yùn)動部件和靜止部件銜接處的兩端
,多是與進(jìn)口相通的高壓區(qū)
,和與出口相通的低壓區(qū)。所以有間隙的銜接處起著對高低壓區(qū)之間的隔離作用
,或密封作用
。
以上兩種作用或兩種要求是矛盾的。為使相對運(yùn)動順暢應(yīng)放大兩者間的間隙;為使密封有效
,應(yīng)縮小間隙。實(shí)際的做法是在保持運(yùn)轉(zhuǎn)靈活的前提下
,采用zui小的間隙
。間隙的厚度被記為δ。
5. 因?yàn)檫M(jìn)出口之間存在壓差,運(yùn)動部件與靜止部件(殼體)之間存在間隙
,一部分介質(zhì)必將未經(jīng)計(jì)量由進(jìn)口漏向出口,這一部分介質(zhì)的量被稱為滑流量(Slippage 見JJG1004-86)
,在流體力學(xué)里
,也被稱為“縫隙流”。流量計(jì)在一個(gè)工作循環(huán)中因縫隙流漏出介質(zhì)的容積被記為△v
。 在一個(gè)工作循環(huán)中
,由進(jìn)口向出口排出的介質(zhì)實(shí)際容積是[v]。
[v]=v+△v (1)
v可認(rèn)為是固定值,而△v則是一個(gè)變動的量
。△v的變動范圍和它在[v]中所占的比例
,將直接影響流量計(jì)的計(jì)量準(zhǔn)確度
。
六.△v的影響因素
容積式流量計(jì)中出現(xiàn)滑流量,這是一個(gè)無法避免 ,而又影響很大的現(xiàn)象
。應(yīng)認(rèn)真對待,深入分析
。
被稱為滑流量的縫隙流在流體力學(xué)里 ,有著成熟的分析和研究
。容積式流量計(jì)中出現(xiàn)的縫隙流,發(fā)生在運(yùn)動部件與靜止部件(多為殼體)之間的縫隙狀態(tài)
,形成縫隙必須有兩個(gè)壁面
,在容積式流量計(jì)中,靜止的壁面多為殼體
,另一個(gè)壁面是由運(yùn)動部件形成的
,而且運(yùn)動的方向與縫隙流的方向一致。這種縫隙流的方式如圖2所示
。上壁面是靜止壁面
,下壁面是運(yùn)動壁面,運(yùn)動速度為U
。
圖2
圖2中縫隙流的模式可用式(2)表示。
(2)
在(2)式中的符號為:
q——縫隙的泄漏量
,相當(dāng)于容積式流量計(jì)中的滑流量
;它的量綱是 ;
K——因不同縫隙形式而產(chǎn)生的修正系數(shù)
;
b——縫隙的寬度
;
δ——產(chǎn)生縫隙的兩壁面間的垂直距離,亦稱縫隙厚度
;
Δp— 縫隙兩端的壓差.即P1-P2=Δp
;
μ — 被計(jì)量介質(zhì)的動力粘度;
L——縫隙的長度
;
U——運(yùn)動壁面的速度值
。
設(shè)完成一個(gè)工作循環(huán)的時(shí)間為△t, 則
△v=q△t (3)
通過以上分析可以得出許多重要的結(jié)論:
1. 因[v]=v+△v
,其中v是常值
,△v是變量,在一定條件的前題下
,△v必然存在著一個(gè)zui小值△vmin和zui大值△v
max。
△vmax-△vmin =
被定義為縫隙流的變動范圍。其中△vmin的大小將影響流量計(jì)的測量正確度(correctness of measurement JJG-91)
,的大小將影響流量計(jì)的測量精密度(precision of measurement JJG-91)
。由于△v的大小對△v
min和的大小有著直接影響,所以△v的大小將影響流量計(jì)的測量準(zhǔn)確度(accuracy of measurement JJG-91)
。降低△v的值
,是提高測量準(zhǔn)確度的zui重要手段。
2. 系數(shù)K反映了不同的縫隙結(jié)構(gòu)
,對縫隙流的影響
。常見的縫隙結(jié)構(gòu)有:平行平面縫隙
、同心環(huán)縫隙、偏心環(huán)縫隙
、不同曲率圓柱面間的縫隙
、楔形縫隙等。在此應(yīng)特別說明
,式(2)于描述呈一元流方式的縫隙流
,例如呈旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的流量計(jì)中切向縫隙流,呈往復(fù)運(yùn)動的流量計(jì)中的軸向縫隙流
。在做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的容積式流量計(jì)中還有一種端面縫隙流
,端面縫隙流是一種二元流的縫隙流,它表現(xiàn)了更為復(fù)雜的流體力學(xué)規(guī)律
,是不能用式(2)進(jìn)行分析的
。在總體的縫隙流中,端面縫隙流占據(jù)著重要的位置
,欲提高流量計(jì)的計(jì)量準(zhǔn)確度
,就必須嚴(yán)格控制端面縫隙流。
3. b為縫隙的寬度
,即轉(zhuǎn)子的高度或殼體計(jì)量腔的深度
。它是流量計(jì)的主要結(jié)構(gòu)尺寸,一般難以改變
。
4. δ—縫隙厚度
,這是對縫隙流或△v影響zui大的因素。q值的大小與δ
3成正比
。為討論方便計(jì)
,暫令U=0時(shí),δ的值如果增加一倍