摘要:渦輪流量計是應(yīng)用廣泛的流量計量儀表。它的結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、壓力損失小。特別是其良好的重復(fù)性、穩(wěn)定性倍受用戶的青睞。但是長期以來，由于其非線性特性的存在，使其流量測量范圍受到很大制約。通過對渦輪流量計輸出脈沖信號特性的研究和分析，提出了一種擴(kuò)大渦輪流量計量程范圍的方法，這種方法簡單易行、行之有效并可應(yīng)用于其他脈沖頻率輸出的傳感器中去。
1渦輪流量傳感器的工作原理
渦輪流量傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示，屬于速度式流量傳感器。渦輪置于流體通道中，隨著流體的流動產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，設(shè)渦輪的轉(zhuǎn)速為n、流過渦輪的流體速度為u,則n與u成正比;流體通道的流通截面.積S是已知的常數(shù)，所以，流過渦輪流量傳感器的流體體積流量Q為:
測量流體速度u通常是利用電磁感應(yīng)原理將與流體速度成正比的渦輪轉(zhuǎn)速n變成脈沖頻率F:
F=Nxn(2)
公式(2)中，N是渦輪流量傳感器的葉片數(shù)，n是葉輪的旋轉(zhuǎn)速度。渦輪流量傳感器一旦選定，其葉片數(shù)N即為常數(shù)，所以信號頻率F與轉(zhuǎn)速n呈線性關(guān)系;由于葉輪的轉(zhuǎn)速n正比于流體的流速u,對于截面積S恒定的流通管路，由公式(1)可見，流體速度u與流量Q之間也呈線性關(guān)系。所以，電脈沖信號頻率F也就正比于流量Q。在使用渦輪流量傳感器時，只要測量出它的輸出電脈沖信號頻率F，就可以計算出相應(yīng)的體積流量Q。
雖然電脈沖信號頻率F與體積流量Q是正比關(guān)系，但是其比值卻不是常數(shù)。其原因是流體的摩擦阻力、粘滯阻力、磁電轉(zhuǎn)換器的電磁阻力以及渦輪軸與軸承之間的機(jī)械摩擦阻力等都與流體的流動速度有關(guān)�？梢杂�
來表達(dá)各參數(shù)間的關(guān)系。
式中，M是渦輪傳感器輸出的電脈沖數(shù)，V是流過渦輪傳感器的流體體積，即`K為通過單位流體流量渦輪流量傳感器發(fā)出的電脈沖頻率或單位體積流體渦輪流量傳感器發(fā)出的電脈沖數(shù)，`K稱為渦輪流量傳感器的平均儀表系數(shù)。圖2表示了`K與Q之間的關(guān)系。以往常規(guī)使用方法是在渦輪流量傳感器的測量范圍Qmin一Qmax內(nèi)，測得各流量檢定點(diǎn)的儀表系數(shù)Ki并將各Kt取平均值得到`K，把`K作為該傳感器的平均儀表系數(shù)。進(jìn)行流量測量時，測得渦輪流量傳感器發(fā)出的電脈沖頻率F，即可由
得到相應(yīng)的流量Q值，從而完成流量測量任務(wù)。
2渦輪流量傳感器的測量范圍
圖2顯示測量出電脈沖信號頻率F用平均儀表系數(shù)`K計算得到的Q值，在Qmin~Qmax范圍內(nèi)的最大相對誤差為:
在Q<Qmin或Q>Qmax，即在測量范圍之外誤差將超過δmax。這就是說雖然渦輪流量傳感器具有很好的重復(fù)性，但是由于電脈沖信號頻率F與體積流量Q之間是非線性的，按照常規(guī)的平均儀表系數(shù)`K的計算方法，對于一定的誤差限士A，由于非線性誤差的存在使得渦輪流量傳感器的工作范圍只能限定在Qmin~Qmax之內(nèi)。
對于重復(fù)性很好而線性度較差的渦輪流量傳感器，要擴(kuò)大其測量范圍或減小測量誤差，研究的核心問題是設(shè)計一種便捷的使用方法，按照行鑒定規(guī)程利用原有檢定數(shù)據(jù)，使渦輪流量傳感器在具有很小重復(fù)性誤差的流量范圍內(nèi)，都能得到很準(zhǔn)確測量效果。
3渦輪流量傳感器的常規(guī)使用方法
像其它速度式流量計一樣，渦輪流量傳感器出廠時要按照渦輪流量傳感器鑒定規(guī)程(JJG198-94)的規(guī)定進(jìn)行計量性能檢定。傳感器的量程比a
按照公式(5)計算得到非線性誤差δ≤1.0%,對于量程比a=10的渦輪流量傳感器，很難實(shí)現(xiàn)。即采用平均儀表系數(shù)`K計算流量的計量精度達(dá)到1.0級水平是一件很難是達(dá)到的指標(biāo);而實(shí)際檢定數(shù)據(jù)顯示，各流量檢定點(diǎn)Qi上的儀表系數(shù)Ki的重復(fù)性誤差Eri基本都能達(dá)到0.1%甚至0.01%范圍之內(nèi)。Eri由公式(6)計算得到。
渦輪流量傳感器的重復(fù)性誤差Er=Enmax
通常情況下，渦輪流量傳感器的量程比a=10、非線性誤差δ≥1.0%而重復(fù)性誤差Er≤0.01。如果在使用渦輪流量傳感器進(jìn)行流量測量時不對儀表系.數(shù)取平均值，即不用平均儀表系數(shù)`K而是直接使用各流量檢定點(diǎn)的檢定儀表系數(shù)Ki，就有可能避免非線性誤差對流量測量的影響。渦輪流量傳感器的測量誤差就有可能從線性度δ=1.0%變?yōu)橹貜?fù)性Eri=0.01%。即渦輪流量傳感器的制造工藝不變、遵循現(xiàn)行的計量檢定規(guī)程、使用現(xiàn)有的檢定數(shù)據(jù)，只是對檢定數(shù)據(jù)的使用方法稍加改變就有可能成百倍地提高測量精度。
渦輪流量傳感器輸出的脈沖信號頻率F=Nxn(N是渦輪葉片數(shù)，n是渦輪的旋轉(zhuǎn)速度);流過渦輪流量傳感器的被測流體體積流量Q=Sxu(S是流體的流通截面積，u流體介質(zhì)的流速);渦輪流量
輪流量傳感器的儀表系數(shù)K與Q的關(guān)系近似線性的單調(diào)函數(shù)(見圖2)。因此，在對檢定結(jié)果進(jìn)行處理時，直接將各檢定點(diǎn)的檢定結(jié)果以Fi、Ki的形式存入渦輪流量計的數(shù)值運(yùn)算部分，不必對其儀表系數(shù)取平均值。在使用渦輪流量傳感器進(jìn)行流量測量時，根據(jù)渦輪流量傳感器的信號頻率F，即可在以上檢定結(jié)果中檢索各F,值，找出滿足F,≤F≤F的Fi、Fi+1(i=1,2,.，.n-1)，n是該渦輪流量傳感器的流量檢定點(diǎn)數(shù);若信號頻率F=Fi或F=Fi+1，則相應(yīng)的Ki或K.i+1即為所需的儀表系數(shù);若信號頻率Fi<F<Fi+1，即所測得的信號頻率不正好在檢測頻率點(diǎn)上，此時的儀表系數(shù)K可以用線性插值公式(7)來計算:
這種計算方法的設(shè)計思路是在檢定頻率點(diǎn)上直接用檢定點(diǎn)的檢定儀表系數(shù)，其誤差就是該點(diǎn)的重復(fù)性誤差δg;在檢定頻率點(diǎn)之間就采用相鄰兩個檢定點(diǎn)的檢定儀表系數(shù)K、Ki+1的線性差值得到該點(diǎn)的儀表系數(shù)K，由此帶來的最大測量誤差的極限值為K、Ki+1之間的非線性誤差δ?max。因?yàn)楦饔嬃繖z定點(diǎn)是按照鑒定規(guī)程(JJG198-94)確定的，所以各檢定點(diǎn)的非線性誤差δ?max與全量程非線性誤差δ之間應(yīng)滿足δ?max=δ/n.也就是說使用這種計算方法得到的測量結(jié)果其誤差值只有采用平均儀表系數(shù)時1/n由于渦輪流量傳感器的儀表系數(shù)K與流量Q之間當(dāng)Q≥Q。時基本呈線性關(guān)系，所以用線性插值法得到的實(shí)際的測量誤差8'更接近重復(fù)性誤差ER而遠(yuǎn)小于非線性誤差δ?max，即δ'≈En<ER<δ?max。
這種計算方法與平均儀表系數(shù)方法的區(qū)別在于渦輪流量計的數(shù)據(jù)存儲區(qū)中存放的是n組實(shí)際檢定結(jié)果而不是一個平均儀表系數(shù)`K;使用流量計進(jìn)行流量測量時，根據(jù)測得的頻率值F找到與之相鄰的一對檢定頻率點(diǎn)(Fi,Fi+1)及對應(yīng)的一對檢定儀表系數(shù)(Ki，Ki+1),不是簡單地用測得的頻率值F除以平均儀表系數(shù)`K就得到了當(dāng)前流量值;根據(jù)(Fi,Fi+1).(Ki，Ki+1)，先用公式(7)計算出對應(yīng)信號頻率F的儀表系數(shù)K,然后用該頻率值F除以計算得到的儀表系數(shù)K得到當(dāng)前流量Q。這種方法可稱之為“檢定系數(shù)折線法"。這種使用方法看似比用平均儀表系數(shù)繁瑣，但在目前廣泛采用的微機(jī)化儀表中非常容易實(shí)現(xiàn);采用此法在可編程控制器(PLC)以及計算機(jī)檢測、控制系統(tǒng)中進(jìn)行流量測量，可以在確定的量程范圍內(nèi)提高渦輪流量傳感器的測量精度或者在確保精確測量的前提下擴(kuò)大測量范圍。
4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
被檢儀表:公稱通徑分別為10mm和15mm的渦輪流量傳感器各一臺;檢定裝置:靜態(tài)稱重法標(biāo)準(zhǔn)水流量檢定裝置，系統(tǒng)精度+0.2%。分別采用常規(guī)的平均儀表系數(shù)法和檢定系數(shù)折線法進(jìn)行標(biāo).定，并與作為標(biāo)準(zhǔn)的靜態(tài)稱重法的檢定結(jié)果進(jìn)行比對，結(jié)果見表1.表2。
從表1可見，在相同的量程范圍(0.32m3/h~1.10m3/h)內(nèi)，使用常規(guī)平均儀表系數(shù)法的最大非線性誤差為0.2493%，而使用檢定系數(shù)折線法的最大誤差只有0.0569%，誤差堿少了4倍多;表2顯示，使用常規(guī)平均儀表系數(shù)法的最大非線性誤差為0.7646%，在相同的量程范圍(0.5m3/h~5.0m'/h)內(nèi)，檢定系數(shù)折線法的最大誤差只有0.1566%，減少了近5倍。顯然，在同樣的測量精度水平(如對10mm渦輪取0.2級、對15mm渦輪取0.5級)下，采用檢定系數(shù)修正法渦輪流量傳感器的測量范圍比使用常規(guī)的平均儀表系數(shù)法有了明顯的擴(kuò)大。
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