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在工业生产、科学实验、能源计量及社会生活等领域中，流量是需要测量和控制的重要参数之一，椭圆齿轮流量计采用容积式计量，具有计量精度高、油温影响和压力损失小、安装简单、性能稳定、量程范围大等特点，被广泛应用[1] 。但传统的椭圆流量计仅能应用在低压环境，高压环境下的齿轮容积式流最计大多从国外进口[2]。本文提出了一种新型耐高压双向椭圆齿轮流量计的结构，并进行了理论分析和实验研究。
1 耐高压双向椭圆齿轮流量计的原理与结构
1.1 工作原理
压双向椭圆齿轮流量计是基于齿轮马达的工作原理，由流体驱动两个啮合的椭圆齿轮转动，再根据椭圆齿轮的转速进行流量计量（图1）[1]。
1.2 椭圆齿轮的脉动啮合特性分析
由于椭圆齿轮啮合点即节点在两个椭圆齿轮轴心的连线上来回移动，所以其传动比不是一个恒定值，在恒定流量下其转动角速度不恒定[3]。根据椭圆齿轮啮合运动的对称性，得到恒定流量下的角速度方程（式1）。
（1）
式中：ω1—— 椭圆齿轮1的角速度，rad/s；
θ1—— 椭圆齿轮l的转角，o；
e —— 椭圆齿轮的偏心率；
Q —— 通过流量计的流量，m3/s；
α —— 椭圆齿轮的长轴长，m；
H —— 椭圆齿轮的厚度，m；
应用MATLAB进行仿真分析，并设2Q/α2H=1，可得在恒定流量下，椭圆齿轮转动的规律（图2）。可知在恒定流量下，椭圆齿轮角速度的变化是有规律的，以180o为一个周期进行重复。
1.3 结构
新型耐高压双向椭圆齿轮流量计（图3）主要由下端盖、壳体、上端盖、椭圆齿轮副、齿轮轴、磁钢、磁敏传感器等组成。油液从下端盖的油口（A或B）流入由下端盖、壳体、上端盖三部分密封形成的耐高压计量室，推动以各自的齿轮轴为中心的椭圆齿轮副啮合转动后从另外一个油口流出，利用磁敏检测原理（如霍尔效应），将椭圆齿轮转角的周期信号（即被测介质的流量等效信号）检测出来，并用方波信号输出。
1.4 磁敏检测
在其中一只椭圆齿轮的径向端面上对称的封装两枚磁钢（图3），两枚磁钢的N极和S极相反布置。在上端盖中封装两枚磁敏传感器（单输出锁定型霍尔开关集成器件[4]），并成90o布置，椭圆齿轮旋转时，磁钢相应地扫过磁敏传感器的敏感区域，磁敏传感器感应永磁磁场的变化，改变输出信号电平。由计量室工作和磁感应检测原理可知，虽然恒定流量下椭圆齿轮的角速度是变化的（图2），但对装在椭圆齿轮上的两只磁钢而言，转180o一个周期才能对其中的一只磁敏传感器产生作用，因此在恒定流量下，磁敏传感器输出的方波信号的周期是恒定的，并且输出方波的频率与通过流量计的流体流量成正比（即通过单位时间的方波数或方波周期可获得流体的流量信息）；并通过对比两枚磁敏传感器分别输出的方波信号相位的超前与滞后，检测并判断流体的流动方向。
磁敏传感器所处的隔舱与计量室之间有耐高压、非导磁的隔离片5（图4）。并与上端盖2焊接，形成耐高压容腔。导磁柱4采用纯铁（图4），可增强磁敏传感器所处位置的磁感应强度（图5是装有导磁柱状态下磁敏传感器附近的磁场分量1/2的分布云图）。利用霍尔效应原理，对影响磁敏传感器感应效果的磁钢半径r、隔离片厚度L和磁敏传感器下的间隙L（图4）参数进行了有限元仿真分析，隔离片厚度5mm，不加导磁柱时，不同磁钢半径r和磁敏传感器下的间隙L 对磁感应强度的影响（图6）。磁钢半径2.5mm，在隔离片中加入导磁柱后，不同隔离片厚度L和磁敏传感器下的间隙L对磁感应强度的影响（图7）。可知，磁敏传感器所处位置的磁感应强度与磁钢半径r成正比、与隔离片厚度L和磁敏传感器下的间隙L 成反比。
2 实验及结果分析
对耐高压双向椭圆齿轮流量计样机进行了实验测试，液压测试系统如图8所示，样机6的背压由溢流阀8调定，压差由压力表5、7测量；通过对磁敏传感器输出的电平信号进行计量与分析，获得样机6的流量大小与方向；标准流量计9对通过样机6的流量进行标准测量，从而可获得样机的流量、耐压、压力损失以及方向测量特性。
试验表明（图9），工作压力小于21MPa时，样机的检测流量误差为±0.5%；工作压力大于21MPa至31.5MPa时，误差为±0.5~3%。这是因为：样机处于高压工作状态时，泄漏量增加，测试误差增大；该误差可通过进一步提高加工精度或进行压力信号补偿等方法减小。
当流体从不同油口流入样机时，两通道磁敏传感器采集的电平信号的相位不同（图10和图11），通过对比两方波信号的相位超前与滞后，判断流体流动方向。
样机在工作中存在压力损失（图12），从图中可以看出，压力损失较小，最大为0.15MPa。
3 结论
新型耐高压双向椭圆齿轮流量计采用耐高压计量室结构、容积式流量检测和通过磁敏传感器信号输出的方式；具有结构简单、安装方便、油温影响小、性能稳定等特点，实验结果还表明该流量计具有检测精度高，能够双向检测流量，压力损失小，能工作在高压环境下等优点。
