摘要:渦輪(lun)流量計 是(shì)應用廣泛(fàn)的流量計(jì)量儀表。它(ta)的結構簡(jiǎn)單、靈敏度(dù)高、壓力損(sǔn)失小。特别(bié)是其良好(hao)的重複性(xìng)、穩定性倍(bèi)受用戶的(de)青睐。但❗是(shi)長期以來(lai)，由于其非(fēi)線性特性(xing)的存在，使(shǐ)其流量測(cè)量範圍受(shòu)到很大制(zhi)約。通過對(duì)渦輪流量(liang)計輸出脈(mò)沖信号特(te)性的研究(jiu)和分析，提(ti)出了一種(zhǒng)擴大渦輪(lún)流量計量(liang)程範圍的(de)方法，這㊙️種(zhǒng)方法簡單(dān)易行、行之(zhi)有效并可(kě)應用于其(qi)他脈沖頻(pín)率輸出的(de)傳感器中(zhōng)去🔞。
1渦輪流(liú)量傳感器(qi)的工作原(yuan)理
　　渦輪流(liu)量傳感器(qi)結構如圖(tu)1所示，屬于(yú)速度式流(liu)量傳♉感✍️器(qì)。渦輪置于(yú)流體通道(dào)中，随着流(liu)體的流動(dòng)産生旋轉(zhuan)，設渦輪的(de)轉速爲n、流(liú)過渦輪的(de)流體速度(du)爲u,則n與u成(cheng)正比;流🏒體(tǐ)通道的流(liu)通截面.積(jī)S是已知的(de)常數，所以(yi)，流過渦輪(lún)流量傳感(gan)器的流體(ti)體✂️積流量(liàng)Q爲:

　　測量流體(ti)速度u通常(cháng)是利用電(dian)磁感應原(yuan)理将與流(liú)體速👉度成(cheng)正比的渦(wo)輪轉速n變(biàn)成脈沖頻(pín)率F:
F=Nxn(2)
　　公式(2)中(zhong)，N是渦輪流(liu)量傳感器(qì)的葉片數(shu)，n是葉輪的(de)旋轉速度(du)。渦輪流量(liàng)傳感器一(yī)旦選定，其(qí)葉片數N即(ji)爲🌈常數，所(suo)以信号頻(pín)率F與轉速(sù)n呈線性關(guan)系;由于葉(yè)輪的轉速(su)n正比于流(liu)體的流速(su)u,對❗于截面(mian)⁉️積S恒定的(de)流通管路(lù)，由公式(1)可(ke)見，流體速(sù)度u與流量(liang)Q之間也呈(chéng)線性關系(xì)。所以❤️，電脈(mò)沖信号頻(pín)率F也就正(zhèng)比于流量(liàng)Q。在使用渦(wo)輪流量傳(chuán)感器時，隻(zhī)要☔測量出(chū)它的輸出(chu)電🍓脈沖信(xin)号頻率F，就(jiu)可以計🏃🏻‍♂️算(suan)出相應💛的(de)體積流量(liàng)Q。

　　雖然電脈(mò)沖信号頻(pin)率F與體積(ji)流量Q是正(zhèng)比關系，但(dan)是其比值(zhí)🛀卻不是常(cháng)數。其原因(yīn)是流體的(de)摩擦阻力(lì)、粘滞阻力(lì)、磁電㊙️轉換(huan)器的電磁(cí)阻力以及(ji)渦輪軸與(yǔ)📐軸承之間(jian)的機械摩(mó)擦阻力等(děng)都與流🐕體(ti)的流動速(sù)度有關。可(kě)以用來表(biao)達各參數(shu)間的關系(xì)。
　　式中，M是渦(wo)輪傳感器(qi)輸出的電(dian)脈沖數，V是(shì)流過渦輪(lún)傳感器🌂的(de)流體體積(jī)，即`K爲通過(guò)單位流體(tǐ)流量渦輪(lun)流量傳感(gǎn)器發出的(de)電脈沖頻(pin)率或單位(wei)體積流體(tǐ)渦輪流量(liang)傳感器發(fa)出的電脈(mo)沖數，`K稱爲(wèi)渦輪流量(liàng)傳感器的(de)平均儀表(biao)系數。圖2表(biao)示了`K與Q之(zhi)間的關系(xi)。以往常規(guī)使用方法(fǎ)是在渦輪(lún)流量傳感(gǎn)器的測量(liàng)範圍Qmin一Qmax内(nèi)，測❗得各流(liú)量檢定點(dian)的儀表系(xi)數Ki并将各(ge)🌏Kt取平均值(zhi)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼得到`K，把`K作(zuò)爲該傳感(gǎn)器的平均(jun1)儀表系數(shu)。進行流量(liang)測量時，測(cè)得渦輪流(liu)量傳感器(qi)發出的電(diàn)脈沖頻率(lü)F，即可由得(de)到相應的(de)流量Q值，從(cóng)而完成流(liú)量測量任(rèn)務。
2渦輪流(liu)量傳感器(qi)的測量範(fàn)圍
　　圖2顯示(shì)測量出電(diàn)脈沖信号(hào)頻率F用平(ping)均儀表系(xi)數`K計🏃‍♀️算得(dé)到的Q值，在(zài)Qmin~Qmax範圍内的(de)最大相對(duì)誤差爲:

　　在(zai)Q<Qmin或Q>Qmax，即在測(cè)量範圍之(zhī)外誤差将(jiāng)超過δmax。這就(jiù)是說雖然(ran)渦輪流量(liàng)傳感器具(jù)有很好的(de)重複性，但(dàn)是由于電(diàn)脈沖信号(hao)頻🐇率F與體(tǐ)積流量Q之(zhī)間是非線(xiàn)性的，按照(zhào)常規的平(ping)均儀表🈲系(xi)數`K的計算(suan)方法，對于(yu)一定的誤(wu)差限士A，由(yóu)于非線性(xìng)誤差的存(cun)在使得渦(wo)輪流量傳(chuan)感器的工(gong)作範圍隻(zhī)能限定在(zài)Qmin~Qmax之内。
　　對于(yu)重複性很(hěn)好而線性(xing)度較差的(de)渦輪流量(liàng)傳感器，要(yào)擴大其測(cè)量範圍或(huò)減小測量(liàng)誤差，研究(jiū)的核🔞心問(wen)題是設計(jì)一種便捷(jie)🈲的使用方(fāng)法，按照行(hang)鑒定㊙️規程(cheng)利用原有(you)檢定數據(jù)，使渦輪流(liu)量傳感器(qi)在具有很(hen)小重複性(xìng)誤差的流(liu)量範圍内(nèi)，都能得到(dao)很準确測(ce)量效果。
3渦(wō)輪流量傳(chuán)感器的常(cháng)規使用方(fang)法
　　像其它(ta) 速度式流(liu)量計 一樣(yang)，渦輪流量(liàng)傳感器出(chu)廠時要按(àn)照渦輪流(liu)量傳感器(qi)鑒定規程(cheng)(JJG198-94)的規定進(jìn)行計量性(xìng)能檢定。傳(chuán)感器‼️的量(liàng)程比🔅a

　　按照(zhào)公式(5)計算(suan)得到非線(xiàn)性誤差δ≤1.0%,對(duì)于量程比(bǐ)a=10的渦輪流(liu)量💋傳感器(qì)，很難實現(xiàn)。即采用平(ping)均儀表系(xì)數`K計算流(liú)量的計量(liàng)精度達到(dào)1.0級水平是(shì)一件很難(nan)是達到的(de)指标;而實(shi)際檢定數(shù)據顯✌️示，各(ge)流量檢定(dìng)點Qi上的儀(yí)表系數Ki的(de)重複性誤(wù)差Eri基💃🏻本都(dou)能達🔅到0.1%甚(shèn)至0.01%範❤️圍之(zhi)内。Eri由公式(shi)(6)計算得到(dào)。


渦輪流量(liàng)傳感器的(de)重複性誤(wù)差Er=Enmax
　　通常情(qíng)況下，渦輪(lún)流量傳感(gǎn)器的量程(chéng)比a=10、非線性(xìng)誤差🙇🏻δ≥1.0%而重(zhòng)複性誤差(chà)Er≤0.01。如果在使(shi)用渦輪流(liú)量傳感器(qì)進行流量(liàng)測量時不(bu)對儀表🌈系(xì).數取平均(jun1)值，即不用(yong)平均儀表(biǎo)系數`K而是(shì)直接使用(yòng)各🔴流量檢(jiǎn)定點的檢(jiǎn)定儀表系(xi)數Ki，就有可(kě)能🎯避免非(fēi)線性誤差(cha)對流量測(cè)量♻️的影響(xiang)。渦輪流量(liang)傳感器💔的(de)測量誤差(chà)就有可能(neng)從線性度(du)δ=1.0%變爲重複(fú)性Eri=0.01%。即渦輪(lún)流量傳感(gǎn)器的制造(zao)工藝不變(biàn)、遵💯循現行(hang)的計量檢(jian)定規程、使(shǐ)用現有的(de)檢定數據(jù)，隻是對檢(jian)定🍓數據的(de)使用方法(fǎ)🐆稍加改變(bian)就有可能(néng)成百倍地(di)提高測量(liàng)精✍️度。
　　渦輪(lún)流量傳感(gǎn)器輸出的(de)脈沖信号(hào)頻率F=Nxn(N是渦(wo)輪葉片數(shu)📞，n是✉️渦輪㊙️的(de)旋轉速度(du));流過渦輪(lún)流量傳感(gan)器的被測(cè)流體體積(ji)流量Q=Sxu(S是流(liú)體的流通(tōng)截面積，u流(liú)體介質的(de)流速);渦輪(lun)流量

　　輪流(liu)量傳感器(qi)的儀表系(xi)數K與Q的關(guan)系近似線(xian)性的單調(diao)函數🍓(見圖(tu)2)。因此，在對(duì)檢定結果(guo)進行處理(lǐ)時，直接将(jiāng)各檢定點(diǎn)的檢定結(jie)果以Fi、Ki的形(xing)式存入渦(wo)輪流量計(jì)的數值運(yùn)算部分，不(bú)必對其儀(yí)表系數取(qǔ)平均值。在(zài)使用渦輪(lún)流量傳感(gǎn)器進行流(liu)量測量時(shi)，根據🤟渦輪(lún)流量傳感(gan)器的信号(hao)頻率F，即可(ke)在以上檢(jian)定結果中(zhōng)檢索各F,值(zhi)，找出滿足(zú)F,≤F≤F的Fi、Fi+1(i=1,2,.，.n-1)，n是該渦(wo)輪流量傳(chuan)感器的流(liú)量檢定點(dian)數;若信号(hao)頻率F=Fi或F=Fi+1，則(zé)相應的Ki或(huò)K.i+1即爲所需(xū)的儀表系(xi)數;若信号(hào)頻率Fi<F<Fi+1，即所(suǒ)測得的信(xin)号頻率不(bú)正好🌂在檢(jiǎn)測頻率點(diǎn)上，此🔞時的(de)儀表系數(shù)K可以用線(xian)性插值公(gōng)式(7)來計算(suàn):

　　這種計算(suàn)方法的設(shè)計思路是(shi)在檢定頻(pin)率點上直(zhi)接用檢定(dìng)📱點的檢定(ding)儀表系數(shu)，其誤差就(jiu)是該點的(de)重複性誤(wù)差δg;在檢定(ding)頻率點之(zhi)間就采用(yong)相鄰兩個(gè)檢定點的(de)檢定儀表(biao)系數K、Ki+1的線(xian)❗性差值得(dé)到該點的(de)儀表系數(shu)K，由此帶來(lái)的最大測(cè)量誤差的(de)極限值爲(wei)K、Ki+1之間的非(fēi)線性誤差(cha)δ?max。因爲各計(jì)量檢定點(diǎn)是按照鑒(jiàn)定規程(JJG198-94)确(què)定的🏃‍♀️，所以(yi)各檢定點(diǎn)的非線性(xìng)誤差δ?max與全(quan)量程非線(xian)性誤差δ之(zhī)間應滿足(zú)δ?max=δ/n.也就是說(shuo)使用這種(zhong)計算方法(fǎ)得到的測(ce)📞量結果其(qí)誤差值隻(zhi)有采用平(ping)均儀表系(xi)數時1/n由于(yu)渦輪流量(liang)傳感器的(de)儀表💋系數(shù)🔅K與流量Q之(zhi)間當Q≥Q。時基(jī)本呈線性(xing)關系，所以(yǐ)用線性插(chā)💚值法得到(dao)的實際的(de)測量誤差(cha)8'更接近重(zhong)複性誤差(cha)ER而遠小于(yu)非線性誤(wù)差δ?max，即⛹🏻‍♀️δ'≈En<ER<δ?max。
　　這種(zhǒng)計算方法(fǎ)與平均儀(yi)表系數方(fāng)法的區别(bié)在于渦輪(lún)流量🐕計的(de)數據存儲(chu)區中存放(fàng)的是n組實(shi)際檢定結(jié)果而不是(shi)一個平均(jun1)儀表系數(shu)`K;使用流量(liàng)計進行流(liu)量測量時(shí)，根據測得(de)的頻率值(zhi)F找到與之(zhi)相鄰📞的一(yī)對檢定頻(pin)率點(Fi,Fi+1)及對(dui)應的一對(dui)檢定儀表(biǎo)系數㊙️(Ki，Ki+1),不是(shì)簡單地🧑🏽‍🤝‍🧑🏻用(yòng)測得的頻(pin)率值F除以(yǐ)平均儀表(biao)系數`K就得(de)到了當🈲前(qian)流量值;根(gēn)據(Fi,Fi+1).(Ki，Ki+1)，先用公(gong)式(7)計算出(chū)對應信号(hao)頻率F的儀(yí)表系數K,然(rán)💔後用該頻(pin)🈚率值F除以(yǐ)計算得到(dao)的儀表系(xì)數K得🌈到當(dang)前流量Q。這(zhe)種方🔴法可(kě)稱之爲“檢(jiǎn)定系數折(shé)線法"。這種(zhong)使用🥰方法(fa)看似比用(yong)平均🔞儀表(biao)系數繁瑣(suo)，但在目前(qian)廣泛采用(yòng)的微♋機化(hua)儀表☎️中非(fei)常容易實(shi)現;采用此(cǐ)法在可編(biān)程控制器(qì)(PLC)以及計算(suan)♌機檢測、控(kong)制系統中(zhong)進行流量(liang)測量，可以(yi)在确定的(de)量程範圍(wei)内提高渦(wō)輪流量💃🏻傳(chuan)感♻️器的測(cè)量精度或(huo)者在确保(bǎo)精确測量(liang)的前提下(xia)擴大測量(liang)範圍。
4實驗(yàn)數據分析(xi)
　　被檢儀表(biǎo):公稱通徑(jing)分别爲10mm和(hé)15mm的渦輪流(liu)量傳感器(qi)各一台;檢(jiǎn)定💰裝置:靜(jing)态稱重法(fǎ)标準水流(liu)量檢定裝(zhuang)置，系⛷️統精(jing)度+0.2%。分🌈别采(cai)用常規的(de)平均儀表(biao)系數法和(he)檢定系數(shu)折線法進(jin)行标.定，并(bing)與作爲⭕标(biāo)準的靜态(tài)稱重法的(de)🌈檢定結果(guo)進行比對(duì)，結果見表(biǎo)1.表2。

　　從表1可(kě)見，在相同(tóng)的量程範(fàn)圍(0.32m3/h~1.10m3/h)内，使用(yong)常規平均(jun)儀表系數(shu)法的最大(da)非線性誤(wù)差爲0.2493%，而使(shǐ)用檢定系(xi)數折線法(fǎ)的👣最大誤(wù)差隻有0.0569%，誤(wù)差堿少了(le)4倍多;表2顯(xiǎn)示，使用常(cháng)規平均儀(yí)表系💔數法(fǎ)的最大非(fēi)線性誤差(cha)爲0.7646%，在相同(tóng)的量程範(fan)圍(0.5m3/h~5.0m'/h)内，檢定(dìng)系數折線(xian)法🌍的最大(da)誤差隻有(yǒu)0.1566%，減少了近(jìn)5倍。顯然，在(zai)同樣的測(ce)量精度水(shuǐ)平(如對10mm渦(wō)輪取㊙️0.2級、對(duì)15mm渦輪取0.5級(jí))下，采用檢(jiǎn)定系數修(xiū)正法渦輪(lun)流量傳感(gǎn)器的測✨量(liàng)範圍比使(shǐ)用常規的(de)平均儀表(biao)系數法有(you)了明顯的(de)擴大。

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