摘要:渦輪(lún)流量計 是應(ying)用廣泛的流(liu)量計量儀表(biao)。它的結構簡(jian)單、靈敏度高(gao)、壓🌐力損失小(xiao)。特别是其良(liang)好的重複性(xing)、穩定性倍受(shòu)用戶的青🌂睐(lai)。但是長期以(yi)來，由于其非(fei)線性特✂️性的(de)存在，使其流(liú)量測量範圍(wéi)受到很大制(zhi)約。通過對渦(wō)輪流量計輸(shu)出脈沖信号(hào)㊙️特性的研㊙️究(jiu)和分析，提出(chū)了一種擴大(dà)渦輪流量計(ji)量程範圍的(de)方法，這種方(fang)法簡單🍓易行(háng)、行之有效并(bìng)可應用于其(qí)他脈沖頻率(lü)輸出的傳感(gan)器中去。
1渦輪(lun)流量傳感器(qì)的工作原理(lǐ)
　　渦輪流量傳(chuán)感器結構如(rú)圖1所示，屬于(yu)速度式流量(liàng)傳感🌈器。渦📞輪(lun)💞置于流體通(tong)道中，随着流(liu)體的流動産(chǎn)🌍生旋轉，設渦(wo)輪❗的轉速爲(wèi)n、流過渦輪的(de)流體速度爲(wei)u,則n與u成正比(bi);流體通道的(de)流通🆚截面.積(jī)S是已知的常(chang)🏃🏻‍♂️數，所以，流過(guo)渦輪流量傳(chuán)感器的流體(tǐ)體積流量Q爲(wèi):

　　測量流體(tǐ)速度u通常是(shi)利用電磁感(gan)應原理将與(yǔ)流體速度📞成(chéng)正比的渦輪(lun)轉速n變成脈(mò)沖頻率F:
F=Nxn(2)
　　公式(shì)(2)中，N是渦輪流(liu)量傳感器的(de)葉片數，n是葉(yè)輪的旋轉🧑🏽‍🤝‍🧑🏻速(su)度🌐。渦輪流量(liang)傳感器一旦(dàn)選定，其葉片(piàn)數N即爲常數(shu)，所以信号✌️頻(pín)率F與轉速n呈(cheng)線性關系;由(yóu)于葉輪的轉(zhuǎn)速n正比于流(liu)體的流速u,對(duì)于截面積S恒(heng)定的流通管(guan)路，由公式(1)可(kě)見😍，流體速度(du)u與流量Q之間(jian)也呈線性關(guān)系。所以，電脈(mò)沖信号頻率(lǜ)F也就正比于(yú)流量Q。在使用(yong)渦輪流量🔞傳(chuán)感器時，隻要(yao)💋測量出它的(de)輸出電脈沖(chòng)信号頻率F，就(jiù)可以計算出(chū)相應的體積(jī)流量Q。

　　雖(suī)然電脈沖信(xìn)号頻率F與體(ti)積流量Q是正(zhèng)比關系，但是(shì)其比值卻🌐不(bu)是常數。其原(yuan)因是流體的(de)摩擦阻力、粘(zhan)滞阻力、磁電(diàn)轉換器的電(diàn)磁阻力以及(jí)渦輪軸與🙇‍♀️軸(zhóu)承之間的機(jī)械摩擦阻力(li)等都與流體(ti)的流動速🌏度(dù)有關。可以用(yong)來表達各參(can)數間的關系(xi)。
　　式中，M是渦輪(lun)傳感器輸出(chū)的電脈沖數(shù)，V是流過渦輪(lún)傳感器的流(liú)🌈體體積，即`K爲(wèi)通過單位流(liú)體流量渦輪(lún)流量✉️傳感器(qì)發💘出的♈電脈(mo)沖頻率或單(dān)位體積流體(tǐ)✏️渦輪流🧑🏾‍🤝‍🧑🏼量傳(chuán)感器發出的(de)電脈沖數，`K稱(chēng)爲渦輪流量(liàng)傳感器的平(píng)均儀表系數(shu)。圖2表示了`K與(yǔ)Q之間的關系(xì)🐅。以往常規使(shi)用方法是在(zai)渦輪流量傳(chuan)感器的測量(liàng)範圍Qmin一Qmax内，測(cè)得各流量檢(jian)定點的儀表(biao)系數Ki并♍将各(ge)Kt取平均值得(de)到`K，把⁉️`K作爲該(gai)傳感器的平(ping)均儀表系數(shu)。進行流量測(cè)量時，測得渦(wō)輪流量傳感(gan)器發出的電(dian)脈沖頻率F，即(jí)可由得到相(xiang)應的流量Q值(zhi)，從而完成流(liu)量測量任務(wù)。
2渦輪流量傳(chuan)感器的測量(liàng)範圍
　　圖2顯示(shi)測量出電脈(mò)沖信号頻率(lü)F用平均儀表(biǎo)系數`K計算得(de)到的⭕Q值，在Qmin~Qmax範(fan)圍内的最大(da)相對誤差爲(wei):

　　在Q<Qmin或Q>Qmax，即在測(ce)量範圍之外(wai)誤差将超過(guò)δmax。這就是說雖(sui)然渦♈輪流量(liang)㊙️傳感器具有(you)很好的重複(fú)性，但是由于(yú)電脈沖信🏃🏻号(hào)頻率F與💁體積(jī)流量👉Q之間是(shi)非線性的，按(àn)照常規的平(ping)均儀表系數(shù)`K的計算方法(fǎ)，對于一定的(de)誤差限士A，由(yóu)于非線性誤(wù)🐆差的存在使(shi)得渦輪流量(liang)傳感🤟器的工(gong)作範圍隻能(néng)限定在Qmin~Qmax之内(nei)。
　　對于重複性(xing)很好而線性(xing)度較差的渦(wo)輪流量傳感(gǎn)器🤟，要擴♊大其(qi)測量範圍或(huò)減小測量誤(wu)差，研究的核(he)心問題是設(shè)計一種便捷(jié)的使用方法(fa)，按照行鑒定(dìng)規程利用原(yuan)有🔞檢定數據(ju)，使渦輪流量(liang)傳感器在具(jù)有很小重複(fu)性誤差☂️的流(liú)量範圍内，都(dōu)能得到很準(zhǔn)🤟确測量效果(guǒ)。
3渦輪流量傳(chuan)感器的常規(guī)使用方法
　　像(xiàng)其它 速度式(shi)流量計 一樣(yang)，渦輪流量傳(chuán)感器出廠時(shí)要按照渦輪(lún)流量傳💚感器(qì)鑒定規程(JJG198-94)的(de)規定進行計(jì)量性能檢定(dìng)。傳感器的量(liàng)程比a

　　按照公(gōng)式(5)計算得到(dao)非線性誤差(chà)δ≤1.0%,對于量程比(bi)a=10的渦輪流量(liàng)傳感器，很難(nan)實現。即采用(yong)平均儀表系(xì)數`K計㊙️算流量(liàng)的🔴計量精度(du)達到1.0級水平(ping)是一件很難(nán)是達到的指(zhǐ)🈲标;而實際檢(jian)定💃🏻數據顯🌈示(shì)，各流量檢定(dìng)點Qi上🔴的儀表(biǎo)系數Ki的重複(fú)性誤差Eri基本(běn)都能達到0.1%甚(shen)至0.01%範圍之内(nèi)。Eri由公式(6)計算(suan)得到。


渦輪流(liu)量傳感器的(de)重複性誤差(chà)Er=Enmax
　　通常情況下(xià)，渦輪流量傳(chuan)感器的量程(chéng)比a=10、非線性誤(wu)差δ≥1.0%而重複性(xìng)誤差Er≤0.01。如果在(zai)使用渦輪流(liú)量傳感器進(jin)行流量測量(liàng)時🎯不對儀表(biao)📧系.數取平均(jun)值，即不用平(ping)均儀表系數(shu)`K而是直接使(shi)用各流量檢(jian)定點的檢定(ding)儀表系數Ki，就(jiu)有可能避免(miǎn)非線🔴性誤差(chà)對㊙️流量測量(liang)的影響。渦輪(lun)✔️流量傳感器(qi)👅的測量誤差(chà)就有可能從(cong)線性度δ=1.0%變爲(wèi)重複性Eri=0.01%。即渦(wo)輪流量傳感(gǎn)器的制造工(gōng)藝不變、遵循(xún)現行的計量(liàng)檢定規程、使(shǐ)用現有的檢(jian)定數據，隻是(shi)對檢定數據(ju)的使用方法(fǎ)🙇‍♀️稍‼️加改變就(jiù)有可能成💁百(bai)倍地提高測(ce)量精度。
　　渦輪(lun)流量傳感器(qi)輸出的脈沖(chong)信号頻率F=Nxn(N是(shì)渦輪葉片數(shù)，n是渦輪的旋(xuán)轉速度);流過(guò)渦輪流量傳(chuán)感器的被測(ce)流體體積流(liu)量Q=Sxu(S是流體的(de)流通截面積(ji)，u流體介質的(de)流速);渦輪流(liú)量

　　輪流量傳(chuán)感器的儀表(biǎo)系數K與Q的關(guan)系近似線性(xìng)的單調函數(shu)(見圖2)。因此，在(zài)對檢定結果(guǒ)進行處理時(shi)，直接将⭐各檢(jiǎn)定點的檢定(ding)結🔞果以Fi、Ki的形(xíng)式存入渦輪(lún)流量計的🥰數(shu)值運算部分(fèn)，不必對💋其儀(yí)表系數取平(píng)均值。在使用(yòng)渦輪流量傳(chuan)感器進行流(liú)量測量時，根(gen)據👉渦輪流量(liàng)傳感器的信(xìn)号頻率F，即可(kě)在以上檢定(ding)結果中檢索(suo)各F,值，找出滿(man)足F,≤F≤F的Fi、Fi+1(i=1,2,.，.n-1)，n是該渦(wō)輪流量傳感(gan)器的流量檢(jian)定點數🐆;若信(xin)号🌈頻率F=Fi或F=Fi+1，則(zé)相應的Ki或K.i+1即(jí)爲所需的儀(yi)表系數;若🌏信(xin)号頻率Fi<F<Fi+1，即所(suo)測👣得的信号(hao)頻率不正好(hǎo)在檢測頻率(lǜ)點上，此時的(de)儀表系數K可(ke)以🔞用線性插(cha)值公式(7)來計(ji)算:

　　這種計算(suàn)方法的設計(ji)思路是在檢(jiǎn)定頻率點上(shang)直接用檢定(ding)點的檢定儀(yí)表系數，其誤(wu)差就是該點(dian)的❄️重複性誤(wù)差δg;在檢定🔞頻(pin)率點之間就(jiù)采用相鄰兩(liǎng)個檢定點♻️的(de)檢定🔞儀表系(xi)數K、Ki+1的線性差(cha)值得到該點(dian)的儀表系數(shu)K，由此帶來的(de)最大測💚量誤(wu)差的☁️極限值(zhi)爲K、Ki+1之間的非(fei)線性誤差δ?max。因(yin)爲各計量檢(jian)定點是按照(zhao)鑒✂️定規程(JJG198-94)确(què)定的，所以各(ge)檢定點的非(fēi)線性誤差δ?max與(yu)全量程非線(xian)性誤差💋δ之間(jiān)應滿足δ?max=δ/n.也就(jiù)🌈是說使用這(zhe)種🏃‍♀️計算方法(fǎ)得到的測🌏量(liàng)結果其誤差(cha)值🔱隻有采用(yong)平均儀表系(xi)數時1/n由于渦(wō)輪流量傳感(gǎn)器的儀表系(xì)數☎️K與流量Q之(zhī)間當Q≥Q。時基本(běn)呈線性關系(xi)，所以用線性(xing)插👅值法得到(dao)的實際的測(cè)量誤差8'更接(jie)近重複性誤(wu)差ER而遠小于(yú)非線性誤差(chà)δ?max，即δ'≈En<ER<δ?max。
　　這種計算(suan)方法與平均(jun)儀表系數方(fang)法的區别在(zài)于渦輪流量(liang)計的數據存(cún)儲區中存放(fang)的是n組實際(jì)檢定結果而(ér)不是一個平(ping)均🔞儀表系數(shu)`K;使用流量計(ji)進行流量測(cè)量時，根據測(ce)得的頻📐率值(zhi)F找到與之相(xiang)鄰的一對檢(jian)定頻率點☀️(Fi,Fi+1)及(ji)對應的一對(duì)檢定儀表系(xì)數🌐(Ki，Ki+1),不是簡單(dān)地🤩用測得的(de)頻率值F除以(yǐ)平🧑🏽‍🤝‍🧑🏻均儀表系(xi)數`K就得到了(le)當前流量值(zhí);根據(Fi,Fi+1).(Ki，Ki+1)，先用公(gōng)式(7)計算出對(duì)應信号頻率(lǜ)F的儀表系數(shu)K,然後用該頻(pín)率值F除以計(jì)算得到的儀(yí)表系數K得到(dao)當前流量Q。這(zhe)種😍方法可稱(cheng)之💰爲“檢定系(xi)數折線法"。這(zhè)種使用方法(fa)看似比用平(píng)均儀表系數(shu)繁瑣，但在目(mu)前廣泛采用(yòng)的微機化儀(yí)表中非常容(róng)易實現;采用(yong)此💋法在可編(bian)程控制器(PLC)以(yǐ)及計算機檢(jiǎn)測、控制系統(tong)中🔆進行流量(liang)測量，可以在(zài)确定的量程(chéng)範圍内提高(gao)渦輪流量傳(chuán)感🐕器👌的測量(liàng)精㊙️度或者在(zai)确保⭐精确測(cè)量的前提下(xia)擴大測量範(fàn)圍。
4實驗數據(ju)分析
　　被檢儀(yí)表:公稱通徑(jìng)分别爲10mm和15mm的(de)渦輪流量傳(chuán)感器各一台(tai);檢定裝置:靜(jìng)态稱重法标(biāo)準水流量檢(jiǎn)定裝置，系統(tong)精度+0.2%。分别采(cai)用常規的平(píng)均儀表系數(shu)法和❗檢定系(xì)數折線法進(jin)行标.定，并與(yǔ)作爲标準的(de)靜态稱重法(fa)的檢定結果(guo)進行比對✂️，結(jié)果見表1.表2。

　　從(cong)表1可見，在相(xiàng)同的量程範(fàn)圍(0.32m3/h~1.10m3/h)内，使用常(chang)規平均儀表(biao)系數法的最(zuì)大非線性誤(wù)差爲0.2493%，而使用(yong)檢定系數🧑🏽‍🤝‍🧑🏻折(she)線法的🚶最大(da)誤差隻有0.0569%，誤(wu)差堿少了4倍(bei)多;表2顯示，使(shǐ)用常規平均(jun)儀表系數法(fǎ)的最大非線(xiàn)性誤差爲0.7646%，在(zai)相同的量程(chéng)範圍(0.5m3/h~5.0m'/h)内，檢定(dìng)系數折線法(fa)的最大誤📧差(cha)隻有0.1566%，減少了(le)近5倍。顯然，在(zài)同樣的測量(liang)精度水平(如(ru)對10mm渦輪取0.2級(ji)、對15mm渦輪取0.5級(jí))下，采用檢定(ding)系數💃修正法(fǎ)渦輪流量傳(chuan)感器的測量(liàng)範圍比使用(yong)常規的平均(jun)㊙️儀表系數法(fǎ)有了明顯的(de)擴大。

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