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容積式流量計(jì)具有功能穩(wěn)定、精確度高、量程寬、測(cè)量范圍大等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛地用于工業(yè)的流量計(jì)量，并且作為貿(mào)易結(jié)算的計(jì)量器具。
容積式流量計(jì)的計(jì)量原理是利用機(jī)械測(cè)量的元件把液體連續(xù)地分隔成單位體積然后進(jìn)行累加計(jì)算總量而實(shí)現(xiàn)流體的計(jì)量。
容積式流量計(jì)的工作過(guò)程如下：流體持續(xù)地充滿固定容積的計(jì)量?jī)x器,然后將這部分流體持續(xù)的通道出口。在一次測(cè)量的過(guò)程中，我們通過(guò)記錄這個(gè)過(guò)程持續(xù)的次數(shù)，然后再乘以計(jì)量?jī)x器的容積，就得到了流過(guò)的液體的總量。
液體容積式流量計(jì)的漏流
我們首先從容積式流量計(jì)的結(jié)構(gòu)出發(fā)，由于該流量計(jì)的計(jì)量空間是機(jī)械裝置組合而成的,每一個(gè)部件都是運(yùn)動(dòng)的，這就導(dǎo)致部件之間存在間隙。因此，就會(huì)導(dǎo)致漏流。
式中：E 一 流量計(jì)的誤差； V——流量計(jì)的計(jì)量空間體積 ；
α一 流量計(jì)的齒輪比常數(shù) ；
Δg一漏流量；q——檢測(cè)時(shí)的流量 。
從公式可見(jiàn)，由于計(jì)量空間體積和齒輪比常數(shù)均為定值，所流量計(jì)的誤差和流量之間的關(guān)系是受單位時(shí)間內(nèi)漏流量的影響的。因此了解漏流量變化的原因?qū)?提高液體容積式流量計(jì)檢測(cè)準(zhǔn)確度的是很有必要的 。
引起漏流量改變的因素
1、機(jī)械磨損引起的漏流
新的流量計(jì)在使用一段時(shí)間后，經(jīng)過(guò)磨合，齒輪間隙適合，漏流量一般是很小的。但是流量計(jì)在使用一定的年限以后，齒輪由于磨損，導(dǎo)致齒輪間間隙增大，漏流量也就隨之變大。因此，對(duì)于頻繁使用的容積式流量計(jì)要經(jīng)常進(jìn)行檢查，檢查后對(duì)磨損比較嚴(yán)重的齒輪要進(jìn)行更換，這樣才能保證流量計(jì)正常工作。
2、溫度對(duì)漏流量的影響
我們都知道，溫度可以使物體熱脹冷縮，同理，對(duì)于流量計(jì)，當(dāng)溫度上升的時(shí)候，流量計(jì)的齒輪間隙會(huì)變得更大，流量計(jì)的漏流量就會(huì)上升。另外，在考慮漏流量的時(shí)候，我們還應(yīng)考慮到溫度上升引起的計(jì)量空間的增大，以及流體介質(zhì)受溫度影響體積膨脹等因素。
3、壓差對(duì)漏流量的影響
當(dāng)流量計(jì)進(jìn)出口之間的壓差比較小的時(shí)候，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的速度較低，這個(gè)時(shí)候的漏流量就比較大。當(dāng)進(jìn)出口的壓力較大的時(shí)候，齒輪回轉(zhuǎn)的力矩較大，轉(zhuǎn)速很高，漏流量也會(huì)變大，這個(gè)時(shí)候的誤差也較大。因此，正常工作的時(shí)候，應(yīng)該講出入口的壓力控制在合適的波動(dòng)范圍里，容積式流量計(jì)的漏流量才能保持在最小。
4、流體的粘度對(duì)漏流量的影響
流體的粘度發(fā)生改變的時(shí)候，漏流量也會(huì)發(fā)生顯著的改變，粘度變大的時(shí)候，漏流量減小，粘度減小的時(shí)候，漏流量則會(huì)相應(yīng)的變大。因此，JJG667也規(guī)定了檢測(cè)用的流體和實(shí)際使用的流體的粘度應(yīng)該一致。如果使用其他的流體進(jìn)行檢測(cè)，則應(yīng)該注意我們使用的流體的誤差不能超過(guò)該流量計(jì)誤差限的0.3.
現(xiàn)在使用的液體流量檢測(cè)裝置一般都是使用水來(lái)檢測(cè)，但是液體容積式流量計(jì)一般都是用在石油行業(yè)中，油和水的密度相差甚大，這就導(dǎo)致由于水的粘度較低使得漏流量會(huì)變大，流量計(jì)計(jì)量的誤差負(fù)偏。這個(gè)時(shí)候我們就必須對(duì)粘度進(jìn)行修正后在使用。我們可以使用下面的公式進(jìn)行修正。
E=E2+（E1-E2）×μ1×（μ-μ2）/[μ×（μ1- μ2）]
式中：E為流量計(jì)實(shí)際使用的時(shí)候的誤差；
E1為流量計(jì)大于實(shí)際粘度檢測(cè)所得的誤差；
E2為流量計(jì)小于實(shí)際粘度檢測(cè)所得的誤差；
μ為實(shí)際使用的流體粘度，mPa•s；
μ1為大于實(shí)際粘度的檢測(cè)流體的粘度，mPa•s；
μ2為小于實(shí)際粘度的檢測(cè)流體的粘度，mPa•s。
上式是在粘度和容積式流量計(jì)漏流量的關(guān)系成反比例的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出來(lái)的，從這個(gè)式子我們發(fā)現(xiàn)，在檢測(cè)的過(guò)程中必須用到多種不同粘度的流體，這對(duì)于一般的檢測(cè)機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)有些困難。因此，現(xiàn)在解決這個(gè)問(wèn)題的最好的辦法就是現(xiàn)場(chǎng)提取流體進(jìn)行檢測(cè)，這樣的話就能夠最大程度的使檢查流體和實(shí)際流體粘度一致，從而使漏流量的結(jié)果更加精確。
漏流量引起的誤差的計(jì)算
上面我們分開(kāi)討論了各種因素對(duì)漏流量的影響，現(xiàn)在我們將這些因素結(jié)合起來(lái)討論。
我們知道，漏流量的形成是由于間隙引起的，間隙中的流動(dòng)我們可以看成是平面間的流動(dòng)。因此我們可以假設(shè)，間隙的寬度為a,流動(dòng)方向的長(zhǎng)度是L，部件的厚度是H，前后端得壓力差為 Δp，流體的粘度為u。
于是，我們可以根據(jù)已知條件得出漏流量的方程為 q=C*a*a*a*b* Δp /L/u。從這個(gè)式子我們可以看出，漏流量的大小間隙寬度的立方成正比，和壓力差成反比。
因此，漏流量的大小隨間隙的變大而變大。另外，當(dāng)流量越大的時(shí)候，部件前后損失的壓力就越大，漏流量也就越大。基本誤差公式如下：
式中，qv為經(jīng)過(guò)流量計(jì)的流量；
qs為單位時(shí)間內(nèi)的漏流量；
V為體積為V的流體經(jīng)過(guò)容積式流量計(jì)的時(shí)候，從間隙中漏出的流體的體積；
a為齒輪比；
從上式我們可以看出，齒輪比和計(jì)量室的基本容積是不變的。流量計(jì)的誤差主要受漏流量的影響。
壓力差和粘度是影響單位時(shí)間內(nèi)的漏流量的主要因素。液體容積式流量計(jì)的工作原理是利用運(yùn)動(dòng)部件的重復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)計(jì)量流體的體積的。在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中，產(chǎn)生機(jī)械的摩擦力阻力。當(dāng)流體流過(guò)流量計(jì)的時(shí)候，還會(huì)產(chǎn)生由于粘滯力引起的流動(dòng)阻力，因此，為了保證流量計(jì)的正常的運(yùn)轉(zhuǎn)，流量計(jì)的進(jìn)出口必須有一定的壓力差，壓力差使得流體克服摩擦阻力和流動(dòng)阻力。這兒所說(shuō)的壓力差，指的就是壓力損失。
差壓補(bǔ)償法提高容積式流量計(jì)測(cè)量精度
我們根據(jù)流體力學(xué)中泄漏的流量取決于壓差的基本原理，提出了一種差壓補(bǔ)償?shù)臏y(cè)量方法，即根據(jù)容積式流量計(jì)人口與出口的壓差來(lái)控制流量計(jì)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制流量測(cè)量值，使流量計(jì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速緊隨壓差的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)。根據(jù) 這一思想，不需要提高容積式流量計(jì)的制造精度，也可以達(dá)到很高的測(cè)量精度，從而為探討容積式流量計(jì)的測(cè)量精度提供了思路 。
1、差壓補(bǔ)償測(cè)量法的工作原理
對(duì)于容積式流量計(jì)，通過(guò)它的流量一般用轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速表示，但是由于泄漏的存在，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速并不嚴(yán)格對(duì)應(yīng)實(shí)際流量。由流體力學(xué)原理知泄漏量 q 與流量計(jì)人 口和出口的壓差Δp的關(guān)系為：
式中 κ， m——與流量計(jì)結(jié)構(gòu)有關(guān)的參數(shù)
A—— 間隙截面面積
只要控制流量計(jì)兩端的壓差Δp，就可控制泄漏量q，進(jìn)而控制檢測(cè)精度，工作原理如圖所示 。
2、測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)流量計(jì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)控制，通過(guò)傳感器檢測(cè)出壓差Δ p，經(jīng)轉(zhuǎn)換放 大后送人單片機(jī)分析處理，然后驅(qū)動(dòng)控制電機(jī)帶動(dòng)流量計(jì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，使其轉(zhuǎn)速達(dá)到與實(shí)際流量相匹配的值。系統(tǒng)主要組成可分為：壓差檢測(cè) 、信號(hào)采集與轉(zhuǎn) 換、信號(hào)分析與處理及控制電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，如圖所示 。
（1）壓差檢測(cè)
壓差檢測(cè)模塊包括壓差傳感器和抗干擾轉(zhuǎn)換電路，功能是將流量計(jì)入口與出口的壓差ΔΡ轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)。首先采用電容式壓差傳感器將壓差ΔΡ轉(zhuǎn)換為 電容信號(hào)，電容式壓差傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、小型輕量 、精度高和互換性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，其工作原理是將壓差的變化轉(zhuǎn)換為電容極板相對(duì)位置的變化，從而改變電容量或容抗量；抗干擾轉(zhuǎn)換電路將電容量或容抗量的變化轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)，濾除干擾，從而達(dá)到非電量電測(cè)的目的。
液體流量變化的復(fù)雜性給壓差檢測(cè)提出了較高的要求，其輸出模擬電壓信號(hào)能 否實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的反映壓差的變化是檢測(cè)的關(guān)鍵 。在精確測(cè)量中，壓差ΔΡ是時(shí)變的微小信號(hào)，易被各種干擾淹沒(méi)，必須提高信噪比，故電容轉(zhuǎn)換成電壓的電路需要進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)。平衡電路能夠很好地抑制共模，經(jīng)導(dǎo)線傳導(dǎo)耦合到電路的噪聲干擾可加濾波器消除。壓差檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)將影響到整個(gè)系統(tǒng)的精度 。
（2）信號(hào)采集與轉(zhuǎn)換
采用電壓放大電路和 A／D轉(zhuǎn)換電路，將模擬電壓信號(hào)放大并轉(zhuǎn)換成可被單片機(jī) 接收的數(shù)字信號(hào) 。
（3）信號(hào)的分析與處理
由單片機(jī)來(lái)分析信號(hào)，實(shí)施合適的控制策略 。
由于壓差ΔΡ控制系統(tǒng)的非線性 、時(shí)變不確定性和純滯后性，故很難獲得系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，采用模糊PID控制是較為理想的選擇。模糊PID控制將模糊決策理論和 PID控制結(jié)合起來(lái)，發(fā)揮兩者的優(yōu)點(diǎn)，這種 Fuzzy — PID復(fù)合型控制器， 將實(shí)踐積累的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)用控制規(guī)則模型化，然后運(yùn)用推理便可對(duì)PID參數(shù)實(shí)現(xiàn)最佳調(diào)整，對(duì)復(fù)雜控制系統(tǒng)具有良好的控制效果 。其中，模糊控制規(guī)則確 定的原則是必須保證控制器的輸出能夠使系統(tǒng)輸出響應(yīng)動(dòng) 、靜態(tài)的性能達(dá)到最佳，是控制性能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵 。
模糊控制器的結(jié)構(gòu)如圖所示 。
（4）控制電機(jī)的驅(qū)動(dòng)
單片機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)控制電機(jī)，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 ，使之與流量的實(shí)際值匹配。采用步進(jìn)電機(jī)作為控制電機(jī)，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)可以接受數(shù)字信號(hào)，但不能直接接受 A/D轉(zhuǎn)換器輸出的脈沖， 必須使用專用的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)——步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 器，步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成了一個(gè)有機(jī)整體，其運(yùn)行性能取決于兩者的密切配合 。
根據(jù)流量計(jì)結(jié)構(gòu)和測(cè)量誤差，結(jié)合傳感器技術(shù)和控制原理，提出用差壓補(bǔ)償法進(jìn)行容積式流量計(jì)流量的測(cè)量，該方法不需改變?cè)瓉?lái)流量計(jì)的結(jié) 構(gòu)，簡(jiǎn)單易行， 通用性強(qiáng)，測(cè)量精度高，可廣泛應(yīng)用到各種要求較高的流量測(cè)量中。
