摘要:渦輪(lun)流量計 是應(yīng)用廣泛的流(liu)量計量儀表(biao)。它的結構簡(jian)單、靈敏🌐度⛷️高(gāo)、壓💞力損失小(xiao)。特别是其良(liáng)好的重複性(xing)、穩定性倍受(shou)⛹🏻‍♀️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(liu)量測👨‍❤️‍👨量範圍(wéi)受到很大制(zhi)約。通過對渦(wo)輪流量計輸(shu)出脈沖信号(hao)特性的研究(jiū)和分析，提出(chū)了一種擴大(da)渦輪流量計(ji)量程範☎️圍的(de)方法，這種方(fāng)法簡單易行(hang)、行之有效并(bing)可應用于其(qí)他脈沖頻率(lǜ)輸出的傳感(gǎn)器中去。
1渦輪(lun)流量傳感器(qì)的工作原理(lǐ)
　　渦輪流量傳(chuan)感器結構如(rú)圖1所示，屬于(yu)速度式流量(liang)傳🔞感☎️器。渦輪(lún)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻置于流體通(tōng)道中，随着流(liu)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(wèi)👈u,則n與u成正比(bi);流🔆體通道的(de)流通截面.積(ji)S是已知的常(cháng)㊙️數，所以，流過(guò)渦輪流量傳(chuán)感器的流體(ti)體🈲積流量Q爲(wei):

　　測量流體(tǐ)速度u通常是(shi)利用電磁感(gǎn)應原理将與(yu)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(liàng)傳感器一旦(dan)選定，其葉片(piàn)數N即爲常數(shù)，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(zhuǎn)速n正比于流(liu)體的流速u,對(dui)✊于截面積S恒(héng)定的流通管(guǎn)路，由公式(1)可(kě)見，流體速度(dù)u與流量Q之間(jian)也呈線性關(guan)系。所以，電脈(mo)沖信号頻率(lǜ)F也就正比于(yú)流量Q。在使用(yòng)渦輪流量傳(chuán)感器時，隻要(yào)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(ji)流量Q。

　　雖(suī)然電脈沖信(xìn)号頻率F與體(ti)積流量Q是正(zheng)比關系，但💰是(shi)其比值⚽卻不(bu)是常數。其原(yuán)因是流體的(de)摩擦阻力、粘(zhān)滞阻力、磁電(dian)轉換器的電(diàn)磁阻力以及(jí)渦輪軸與軸(zhou)承之間的機(ji)械摩擦阻力(li)等都與流體(tǐ)的流動速度(dù)有關。可以用(yòng)來表達各參(cān)數間的關系(xi)。
　　式中，M是渦輪(lún)傳感器輸出(chu)的電脈沖數(shu)，V是流過渦輪(lun)🏃🏻‍♂️傳感器的🏃‍♀️流(liu)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(mò)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(yu)Q之間的關系(xì)。以往常規使(shi)用方法是在(zài)渦輪流量傳(chuán)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(gè)Kt取平均值🐇得(de)到`K，把`K作爲該(gai)傳感器的平(píng)均儀表系數(shù)。進⛱️行流量測(ce)量時，測得渦(wo)輪流量傳感(gan)☔器發出的電(dian)🐆脈沖頻率F，即(jí)可由得到相(xiàng)應的流量Q值(zhi)，從而完成流(liú)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(shi)測量出電脈(mo)沖信号頻率(lü)F用平均儀表(biao)系數`K計算得(dé)到的Q值，在Qmin~Qmax範(fan)圍内的最大(dà)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(guo)δmax。這就是說雖(sui)然渦輪流量(liàng)傳感‼️器具有(yǒu)很好的重複(fú)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(shù)`K的計算方法(fa)，對于一定的(de)誤差限士A，由(you)于非線性誤(wu)♋差的存在使(shi)得渦輪流量(liang)傳感🌂器的工(gōng)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(wō)輪流量傳感(gan)🐉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(she)計一種🌈便捷(jie)的使用方法(fa)，按照行鑒定(dìng)規程利用原(yuán)有檢定數據(ju)，使渦輪流量(liang)傳感器在具(ju)有很小重複(fú)性誤差的流(liu)量範圍内，都(dou)能得到很準(zhǔn)确測量效果(guǒ)。
3渦輪流量傳(chuan)感器的常規(gui)使用方法
　　像(xiàng)其它 速度式(shì)流量計 一樣(yang)，渦輪流量傳(chuán)感器出廠時(shi)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(ji)量性能檢定(ding)。傳感器的量(liàng)程比⁉️a

　　按照公(gōng)式(5)計算得到(dào)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(liang)的計量精度(du)達到1.0級水平(ping)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(ben)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(xia)，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(liu)量傳感器進(jin)行流量測量(liang)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(shǐ)用各流量檢(jiǎn)🈚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(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(gan)器的制✍️造工(gong)藝不變、遵循(xún)現行的計量(liang)🈚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(jiù)有可能成百(bai)倍地提高🏒測(cè)量精度。
　　渦輪(lun)流量傳感器(qì)輸出的脈沖(chòng)信号頻率F=Nxn(N是(shì)渦輪葉片數(shu)，n是🚶‍♀️渦🈲輪的旋(xuan)轉速度);流過(guo)渦輪流量傳(chuan)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(liu)量

　　輪流量傳(chuan)感器的儀表(biǎo)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(guo)進行處理時(shi)，直🐕接将各檢(jiǎn)定點的檢定(dìng)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(fen)😄，不必對其儀(yí)表系數取平(ping)均值。在使用(yong)渦輪流量傳(chuán)感器進行流(liu)量測🏃量時，根(gen)據渦輪流量(liàng)傳📧感器的信(xin)号頻率F，即可(kě)在以上檢定(dìng)結果中檢索(suǒ)各F,值，找出滿(man)足F,≤F≤F的Fi、Fi+1(i=1,2,.，.n-1)，n是該渦(wo)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(ji)爲所需的儀(yi)表系數;若信(xìn)号頻率Fi<F<Fi+1，即所(suo)測🙇‍♀️得☀️的信号(hào)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(jì)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(dìng)點的檢定儀(yi)表系數，其誤(wu)差就是該點(dian)的重複🔱性誤(wù)👅差δg;在檢定頻(pín)率👣點之間就(jiù)采用相鄰兩(liang)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(fei)線性誤差δ?max。因(yīn)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(fei)線性誤差δ?max與(yǔ)全量程非線(xian)性誤差δ之間(jian)應滿足δ?max=δ/n.也就(jiu)是說使用這(zhe)種計算方法(fa)得到的測量(liang)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(gan)器的儀表系(xì)數K與流量Q之(zhi)間當Q≥Q。時基本(ben)呈線性關系(xi)，所以用線性(xing)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(yu)非線性誤差(cha)δ?max，即δ'≈En<ER<δ?max。
　　這種計算(suàn)方法與平均(jun1)儀表系數方(fāng)法的區别在(zai)于渦輪♉流量(liang)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(ji)進行流量測(ce)量時，根據測(ce)得的頻率值(zhí)F找到與之相(xiàng)鄰的一對檢(jiǎn)定頻率點(Fi,Fi+1)及(ji)對應的一對(dui)檢定儀表系(xi)數(Ki，Ki+1),不是簡單(dān)地用測得的(de)頻率值F除以(yi)平🌐均儀表系(xì)數`K就得到了(le)當前流量值(zhí);根據(Fi,Fi+1).(Ki，Ki+1)，先用公(gong)式(7)計算出對(dui)應⭐信号頻率(lü)F的儀表系數(shù)K,然後用該頻(pín)率值F除以計(ji)算得到的儀(yi)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(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(yong)的微機化儀(yi)表中非常容(róng)易實現;采用(yong)此法在可編(bian)程控制器(PLC)以(yi)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(cheng)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(ce)量的前提下(xia)✨擴大測量範(fan)🔞圍。
4實驗數據(jù)分析
　　被檢儀(yi)表:公稱通徑(jing)分别爲10mm和15mm的(de)渦輪流量傳(chuan)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(tǒng)精度+0.2%。分别采(cǎi)🔆用常規的平(ping)均儀表系數(shu)法和💚檢定系(xì)數折線法進(jìn)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(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(cháng)規平均儀表(biao)系數🔞法🚶的最(zui)大非線性誤(wù)差爲0.2493%，而使用(yòng)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(bèi)多;表2顯示，使(shǐ)用常🚶‍♀️規平均(jun)儀表系數法(fa)的最大非線(xiàn)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(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(zai)同樣的測量(liang)精度水平(如(ru)對10mm渦輪取0.2級(jí)、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(fa)有了🤩明顯的(de)擴大。

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