摘要:渦輪(lún)流量計 是應(ying)用廣泛的流(liu)量計量儀表(biǎo)。它的結構簡(jiǎn)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(lài)。但是長期以(yǐ)來，由于其非(fēi)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(wo)輪流量計輸(shū)出脈沖信号(hao)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(qi)他脈沖頻率(lǜ)輸出的傳感(gan)器中去。
1渦輪(lun)流量傳感器(qi)的工作原理(li)
　　渦輪流量傳(chuán)感器結構如(ru)圖1所示，屬于(yu)速度式流量(liàng)傳感器。渦輪(lun)🎯置于流體通(tōng)道中，随着流(liú)體的流動産(chǎn)生旋轉，設渦(wō)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(bǐ);流體通道的(de)流通截面.積(jī)S是已知的常(chang)數，所以，流過(guò)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(liú)量傳感器的(de)葉片數，n是葉(ye)輪的旋轉🏃‍♂️速(su)度🤟。渦輪♻️流量(liàng)傳感器一旦(dàn)選定，其葉片(piàn)數N即爲常數(shu)，所以信号頻(pin)率F與轉速n呈(cheng)線性關系;由(yóu)于葉輪🌈的轉(zhuan)速n正比于流(liú)體的流速u,對(duì)于截面積S恒(héng)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(guan)系。所以，電脈(mò)沖信号頻率(lü)F也就正💋比于(yu)流量Q。在使用(yong)渦輪流量傳(chuan)感器時，隻要(yao)測量出它的(de)輸出電脈沖(chong)信号頻率F，就(jiu)可以計算出(chū)相應🔱的體積(ji)流量Q。

　　雖(sui)然電脈沖信(xin)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(yuán)因是流體的(de)摩擦阻力、粘(zhan)滞阻力、磁電(diàn)轉換器的電(dian)磁阻力以及(ji)渦輪軸與軸(zhóu)承之間的機(jī)械摩擦阻力(li)等都與流⚽體(tǐ)的流動速度(du)有關。可♌以用(yong)來表達各參(cān)數間的關系(xì)。
　　式中，M是渦輪(lun)傳感器輸出(chu)的電脈沖數(shù)，V是流過渦輪(lun)傳感器的流(liú)體體積，即`K爲(wèi)通過單位流(liu)體流量渦輪(lún)💃🏻流量傳感器(qì)發出的電脈(mo)沖頻率或單(dan)位體積流體(ti)渦輪流⭐量傳(chuan)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(shù)。圖2表示了`K與(yu)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(liang)🔞範圍Qmin一Qmax内，測(ce)得各流量檢(jiǎn)定點的儀表(biǎo)系數Ki并将各(gè)Kt取平均值得(dé)到`K，把🔆`K作爲該(gāi)🤟傳感器的平(píng)均儀表系數(shu)💋。進📐行流量測(ce)量時，測得渦(wō)輪流量傳感(gan)💘器發出的電(diàn)脈沖頻率F，即(jí)可由得到相(xiang)應的流量Q值(zhí)，從而完成流(liu)量測量任務(wu)。
2渦輪流量傳(chuán)感器的測量(liang)範圍
　　圖2顯示(shì)測量出電脈(mo)沖信号頻率(lǜ)F用平均儀表(biao)系數`K計算💋得(de)到的Q值，在Qmin~Qmax範(fan)圍内的最大(dà)相對誤差爲(wèi):

　　在Q<Qmin或Q>Qmax，即在測(cè)量範圍之外(wai)誤差将超過(guo)δmax。這就是說雖(suī)然渦輪流量(liang)傳感😄器具有(yǒu)很好的重複(fu)性，但是由于(yú)電脈沖信🔴号(hao)頻率F與體積(jī)流量♉Q之間是(shì)非線性的，按(an)照常規的平(píng)均儀表系數(shu)`K的計算方法(fǎ)，對于一定的(de)誤差🐅限士A，由(you)于👅非線性誤(wu)🔞差的存在使(shǐ)得渦輪☂️流量(liàng)傳感✌️器的工(gong)作範圍隻能(neng)限定在Qmin~Qmax之内(nèi)。
　　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(qí)測量範圍或(huo)減小測量誤(wu)差，研究的核(hé)心問題是設(shè)計👨‍❤️‍👨一種🔴便捷(jié)的使用方法(fa)，按照行鑒定(ding)💋規程利用原(yuan)有檢定數㊙️據(ju)，使渦輪流量(liàng)傳感器在具(jù)有很小重複(fú)性誤差的流(liú)量範圍内，都(dou)能得到很準(zhǔn)🏃确測量效果(guo)。
3渦輪流量傳(chuan)感器的常規(gui)使用方法
　　像(xiang)其它 速度式(shi)流量計 一樣(yang)，渦輪流量傳(chuan)感器出廠時(shí)要按照渦輪(lun)流量傳感🧑🏾‍🤝‍🧑🏼器(qi)鑒定規💯程(JJG198-94)的(de)規定進行計(ji)量性能檢定(dìng)。傳感器的量(liang)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(bǐ)a=10的渦☀️輪流量(liang)傳感器，很難(nan)實現。即采用(yòng)平均儀表系(xì)數`K計算流量(liang)的🔆計量精度(dù)達到🔆1.0級水平(píng)是一件很難(nan)是達到的指(zhǐ)标;而實際檢(jiǎn)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(suàn)得到。


渦輪流(liú)量傳感器的(de)重複性誤差(cha)Er=Enmax
　　通常情況下(xià)，渦輪流量傳(chuán)感器的量程(cheng)比a=10、非線性誤(wù)💜差δ≥1.0%而重複✂️性(xìng)誤差Er≤0.01。如果在(zài)使用渦輪流(liú)量傳感器進(jin)行流量測量(liàng)時❓不對儀表(biǎo)系.數取平均(jun1)值，即不用平(píng)均儀表系數(shù)`K而🥵是直接使(shi)用各流量檢(jian)定點的檢定(dìng)儀表系數㊙️Ki，就(jiu)有可能避免(mian)非線性誤差(chà)對♻️流量測量(liàng)的影響。渦輪(lun)流量傳感器(qi)🐇的測量誤差(chà)就有可能從(cóng)線性度δ=1.0%變爲(wei)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(xun)現行的計量(liàng)檢定規程、使(shi)用現有的檢(jiǎn)定數據，隻是(shì)對檢定🤞數據(ju)的使用方法(fǎ)稍加改變就(jiu)有可能成百(bǎi)倍地提高測(cè)量精度。
　　渦輪(lun)流量傳感器(qì)輸出的脈沖(chong)信号頻率F=Nxn(N是(shi)渦輪葉🚶片數(shù)❄️，n是渦💯輪的旋(xuan)轉速度);流過(guò)渦輪流量傳(chuán)感器的被測(cè)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(chuan)感器的儀表(biao)系數K與Q的關(guān)系近似線性(xing)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(jian)定點的檢定(dìng)結果以Fi、Ki的形(xing)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(ping)均值。在使用(yong)渦輪流量傳(chuan)感器進行流(liu)量測量時，根(gēn)據❤️渦輪流量(liang)傳感器的信(xin)号頻率F，即可(ke)在❓以上檢定(dìng)結📐果中檢索(suǒ)各F,值，找出滿(mǎn)足F,≤F≤F的Fi、Fi+1(i=1,2,.，.n-1)，n是該渦(wō)輪流量傳感(gǎn)器的流量檢(jian)定點數✊;若信(xìn)号頻率F=Fi或F=Fi+1，則(zé)相應的Ki或K.i+1即(ji)爲所㊙️需的儀(yi)表系數;若信(xìn)号頻率Fi<F<Fi+1，即所(suǒ)測得的信号(hao)頻率不正好(hao)在檢測頻率(lü)點上，此時的(de)儀表系數K可(kě)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(shàng)直接用檢定(ding)點的檢定儀(yí)表系數，其誤(wù)差就是該點(diǎn)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(xì)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(fēi)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(que)定的，所以各(ge)檢定點的非(fēi)線性誤差δ?max與(yǔ)全量程非線(xian)✂️性誤差δ之間(jiān)應滿足δ?max=δ/n.也就(jiu)是說使用這(zhè)種計算方法(fa)得到的測☁️量(liang)結果其誤差(chà)值隻有采用(yòng)平均儀表系(xì)數時1/n由于渦(wō)輪流量🎯傳感(gan)器的儀表系(xi)數🐕K與流量Q之(zhī)間當Q≥Q。時基本(běn)呈線性關系(xì)，所以用線性(xìng)插㊙️值法得到(dao)的實際的測(ce)量誤⭐差8'更接(jiē)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(suàn)方法與平均(jun)儀表系數方(fāng)法的區别在(zai)于🔱渦輪流量(liàng)計的數據存(cun)儲區中存放(fang)的是n組實際(ji)檢定結果而(ér)不是一個㊙️平(píng)均儀表系數(shu)`K;使用流量計(jì)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(jiǎn)定頻率點(Fi,Fi+1)及(jí)對應的一對(dui)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(zhi);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(shù)K,然後用該頻(pin)率值F除以計(ji)算✍️得到的儀(yí)表系數K得⁉️到(dào)當前流量Q。這(zhe)種方法可稱(chēng)之爲“檢定系(xì)數折線法"。這(zhè)種使用方法(fa)看似比用平(píng)均儀表系數(shù)繁瑣，但在目(mù)前廣泛采用(yong)的微機化儀(yi)表中非常容(róng)易實現;采用(yòng)此法在可編(bian)程控制器(PLC)以(yǐ)及😄計算機檢(jian)測、控制系統(tǒng)中進行流量(liàng)測量，可以在(zai)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(zài)确保精确測(cè)量的前提下(xia)擴大測量範(fan)圍。
4實驗數據(ju)分析
　　被檢儀(yi)表:公稱通徑(jìng)分别爲10mm和15mm的(de)渦輪流量傳(chuan)感器各☔一台(tái)💞;檢定裝置:靜(jing)态稱重法标(biao)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(ping)均儀表系數(shu)法和檢定系(xi)數折線法進(jin)行标.定，并與(yu)作爲标準的(de)靜态🏃‍♀️稱重法(fǎ)的檢定結果(guo)進行比對☔，結(jié)果見表1.表2。

　　從(cóng)表1可見，在相(xiàng)同的量程範(fan)圍(0.32m3/h~1.10m3/h)内，使用常(cháng)規平均儀表(biao)系數法的最(zui)大非線性誤(wu)差爲0.2493%，而使用(yòng)檢定系數折(she)線法的最大(dà)誤差隻有0.0569%，誤(wu)差堿少了4倍(bei)多;表2顯示，使(shi)用常🏃規平均(jun1)儀表系數法(fa)的最大非線(xian)性誤差爲0.7646%，在(zài)相同的量程(cheng)範圍(0.5m3/h~5.0m'/h)内，檢定(ding)系數折線法(fǎ)的最大誤㊙️差(chà)隻有0.1566%，減少了(le)近5倍。顯然，在(zai)同樣的測量(liàng)精度水平(如(rú)對10mm渦輪取0.2級(ji)、對15mm渦輪取0.5級(ji))下，采用檢定(ding)系數修正法(fǎ)渦輪流量傳(chuan)感器的測量(liang)範圍比🏃🏻‍♂️使用(yong)常規的平均(jun1)✊儀表系數法(fǎ)有了👈明顯的(de)擴大。

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