光电磁耦合旋转活塞式流量计设计研究

2015-07-07赵献丹何庆中

制造业自动化 2015年1期

赵献丹，何庆中

（1.四川理工学院；2.过程装备与控制工程四川省高校重点实验室，自贡 643000）

0 引言

旋转活塞式流量计是容积式流量计的一种，它的转子是一个定容积的容器，每转动一周，排出固定体积的流体，因此可以据此计算出旋转活塞式流量计单位时间内的流量或者一定时间内的流量。旋转活塞式流量计的计量精度较高，常应用于昂贵介质或需要精确计量的场合，广泛应用在石油、化工、涂料、医药、食品等工业部门[1]。

1 旋转活塞式流量计的工作原理

旋转活塞式流量计主要是由计量室、旋转活塞、隔板等部分组成（如图1所示），测量室底部有进液孔和出液孔分别和流量计的进口和出口相连，计量室内壁上下有环形导槽，旋转活塞的活塞销在环形导槽中绕计量室的中心转动，旋转活塞的径向凹槽槽口沿着隔板作直线往复运动，活塞与计量室内壁的接触线和隔板将计量室分隔为入口腔和出口腔两部分，旋转活塞在入口腔和出口腔液体压差的推动下转动，每旋转一周，将定量的液体从进液孔输送到出液孔[2]。

2 霍尔效应旋转活塞式流量计

图1 旋转活塞式流量计结构

图2 霍尔效应旋转活塞式流量计结构

旋转活塞式流量计除了机械部分外，必须有计数单元来计算旋转活塞的转数；为了与控制器（PLC、单片机等）连接，还需要信号处理单元将计数单元输出的信号转换成控制器能够识别的信号。霍尔传感器体积小、成本低、灵敏度较高[3]，旋转活塞式流量计的计数单元一般是采用霍尔传感器。霍尔效应旋转活塞式流量计（如图2所示）是在拨杆上端放置环形磁铁，拨杆由旋转活塞的活塞销驱动，与旋转活塞同步旋转，与环形磁铁相对应的是单极性霍尔传感器，活塞转动时，霍尔元件对变化的磁场产生反应，产生脉冲信号，脉冲信号经过滤波、放大、整形后输出给控制器。霍尔效应旋转活塞式流量计结构简单，成本较低，而且由于霍尔传感器是非接触式传感器，容易实现机械部分与电气部分的隔离，因此，霍尔效应旋转活塞式流量在饮料、白酒食品加工行业中得到广泛的应用。但是，霍尔效应旋转活塞式存在如下的缺点：

1）流量计信号处理电路较复杂，图3所示为某型号霍尔效应旋转活塞式流量计的信号处理电路，该流量计的计数单元有六个霍尔传感器，每一个霍尔传感器都必须有相应的信号处理电路，传感器越多，电路越复杂，而且输出波形不够理想，不是理想的矩形波，可能导致控制器无法识别，从而降低流量计的可靠性和精度；

图3 霍尔效应旋转活塞式流量计信号处理电路

2）流量计的分辨率低，霍尔效应旋转活塞式流量计的分辨率决定于传感器的数目，为提高流量计的分辨率，必须增加传感器的数量，由于流量计内部空间的限制，不能布置太多的传感器，一般只能布置6个霍尔传感器，使得霍尔效应旋转活塞式流量计的分辨率不高，常用的霍尔效应旋转活塞式流量计的分辨率大于q/6ml（q为每转容积排量[4]）。

3 光电磁耦合旋转活塞式流量计

为提高旋转活塞式流量计的分辨率和可靠性，设计了光电磁耦合旋转活塞式流量计（如图4所示），耦合环形磁铁与拨杆上端的环形磁铁在密封板的两侧相对安装，通过磁场的耦合将转子的转动同步传递给光电码盘，通过光电传感器将转子的位置信号传递给控制器（PLC）。

图4 光电磁耦合旋转活塞式流量计

光电磁耦合旋转活塞式流量计采用光电传感器作为流量计的计数单元，光电传感器灵敏度高，抗电磁干扰能力强，信号处理电路简单，输出波形是标准的矩形波，易于控制器接收，因而光电磁耦合旋转活塞式流量计具有较高的可靠性和精度；此外，提高光电磁耦合旋转活塞式流量计的分辨率不需要增加光电传感器的数目，只需要通过选择线数较多的光电码盘就可以大大提高流量计的分辨率，因此，光电磁耦合旋转活塞式流量计的信号处理电路不会因为分辨率的提高而变得复杂，在采用100线光电码盘时，分辨率可以达到q/100ml。

此次研究中，选用欧姆龙PLC作为控制器，光电开关的输出电压只有5V，而PLC的输入端电压为24V，因此不能将光电开关的输出信号直接输入PLC，需要经过电压转换。光耦不但能进电压转换，还能够隔离干扰，因此选择光耦作为转换元件，由于选用的光电码盘为100线，光电开关输出信号的频率较高，需要使用高速光耦，高速光耦6N137具有较高的开关频率，符合使用要求，光耦电路如图5所示。

图5 光电磁耦合旋转活塞式流量计光耦电路

旋转活塞式流量计中通过的是液体介质，为了防止液体介质对电子元件的腐蚀，流量计转子部分必须和电路部分隔离，进行隔离的同时还必须保证光电码盘和旋转活塞的同步旋转。如果将光电码盘直接安装在拨杆上，拨杆和隔板之间采用密封圈进行密封，这种密封效果不理想，一方面流量计内的液体有一定的压力，容易产生渗漏；另一方面密封圈使用时间长，容易老化失效，降低流量计的使用寿命。采用磁耦合可以很好的解决隔离问题，在光电码盘的轴上装有耦合磁环，隔着密封板与拨杆上的磁环相对，旋转活塞的转动通过两个磁环之间的磁场耦合同步传递给光电码盘，为保证二者的同步转动，采用磁性较强的钕磁铁。