摘(zhāi)要:渦輪(lun)流量計(jì) 是應用(yong)廣泛的(de)流量計(ji)量儀表(biao)。它的結(jié)構簡單(dān)、靈敏🌈度(du)高、壓力(li)損失小(xiǎo)。特别是(shi)其良好(hao)的重複(fu)性、穩定(dìng)性倍受(shou)用戶的(de)青睐。但(dàn)🛀是長👄期(qi)以來，由(yóu)于其非(fei)線性特(tè)性的存(cún)👉在，使其(qi)❄️流量測(cè)量範圍(wei)🐉受到很(hěn)大制約(yue)。通過🐉對(duì)渦輪流(liú)量計輸(shu)出🌈脈沖(chòng)信号特(tè)性的研(yan)究和分(fèn)析，提出(chū)了一種(zhong)擴大渦(wō)輪流量(liàng)計量程(cheng)範🏃圍的(de)方法，這(zhe)種方法(fa)簡單易(yì)行、行之(zhī)有效并(bìng)💋可應用(yong)于其他(tā)脈沖頻(pín)率輸出(chū)‼️的傳感(gǎn)器中去(qù)。
1渦輪流(liu)量傳感(gan)器的工(gong)作原理(lǐ)
　　渦輪流(liu)量傳感(gan)器結構(gòu)如圖1所(suǒ)示，屬于(yú)速度式(shi)流量傳(chuán)🔞感器。渦(wō)輪置于(yú)流體通(tong)道中，随(sui)着流體(tǐ)的流動(dòng)産生旋(xuán)🚶‍♀️轉，設🔴渦(wo)輪的轉(zhuǎn)㊙️速爲n、流(liú)過渦輪(lún)的流體(tǐ)速度爲(wèi)u,則n與u成(cheng)正比;流(liu)體通道(dao)的流通(tong)截面.積(ji)S是已知(zhi)的常數(shù)，所以，流(liu)過渦輪(lún)流量傳(chuán)感器👨‍❤️‍👨的(de)流體體(tǐ)積流量(liàng)Q爲:

　　測量流(liú)體速度(dù)u通常是(shì)利用電(dian)磁感應(yīng)原理将(jiāng)與流體(ti)速🆚度成(cheng)正🧑🏾‍🤝‍🧑🏼比的(de)渦輪轉(zhuan)速n變成(chéng)脈沖頻(pín)率F:
F=Nxn(2)
　　公式(shi)(2)中，N是渦(wō)輪流量(liàng)傳感器(qì)的葉片(piàn)數，n是葉(yè)輪的旋(xuan)轉速度(du)。渦輪流(liú)量傳感(gǎn)器一旦(dan)選定，其(qí)葉片數(shu)N即爲🏃‍♂️常(cháng)數，所以(yǐ)信号🧑🏾‍🤝‍🧑🏼頻(pín)率🤟F與轉(zhuǎn)速n呈線(xian)性關系(xi);由于葉(yè)輪的轉(zhuan)速n正比(bǐ)于流體(ti)的流速(sù)u,對于截(jié)面🌐積S恒(héng)定的流(liu)通管路(lù)，由👅公式(shi)(1)可見，流(liú)體速度(du)u與流量(liang)Q之間也(yě)呈線性(xìng)關系。所(suǒ)以⭐，電脈(mò)沖信号(hao)頻率F也(yě)就正🐪比(bǐ)于流量(liang)Q。在使用(yòng)渦輪流(liú)🔴量傳感(gǎn)器時，隻(zhī)要測量(liang)出它的(de)輸出電(dian)脈沖信(xin)号🔆頻率(lǜ)F，就可以(yi)計算出(chu)相應的(de)體積流(liu)量Q。

　　雖然(ran)電脈沖(chong)信号頻(pin)率F與體(tǐ)積流量(liàng)Q是正比(bǐ)關系，但(dàn)是其☂️比(bǐ)值卻不(bú)是常數(shu)。其原因(yin)是流體(ti)的摩擦(cā)阻力、粘(zhan)滞阻力(lì)、磁電轉(zhuan)換器的(de)電磁阻(zu)力以及(jí)渦輪軸(zhóu)與軸承(cheng)之間的(de)機械摩(mo)擦阻力(li)等💞都與(yu)流體的(de)流動速(sù)度有關(guan)。可以用(yòng)來表達(dá)各參數(shù)間的關(guan)系。
　　式中(zhong)，M是渦輪(lún)傳感器(qi)輸出的(de)電脈沖(chòng)數，V是流(liu)過渦輪(lun)傳感👌器(qì)的🐉流體(ti)體積，即(ji)`K爲通過(guò)單位流(liú)體流量(liang)渦輪👄流(liu)量傳感(gan)🐕器發♌出(chū)的電脈(mo)沖頻率(lü)或單位(wèi)體積流(liu)體渦輪(lun)流量傳(chuán)感器發(fa)出🏃‍♂️的電(diàn)脈沖數(shù)，`K稱🌏爲渦(wo)輪流量(liàng)傳感器(qì)的👈平均(jun1)儀表🌐系(xi)數。圖2表(biǎo)示了`K與(yǔ)Q之間的(de)關系。以(yǐ)往常規(gui)使用方(fāng)法是在(zai)渦輪流(liú)量傳👉感(gǎn)器的測(ce)量範圍(wei)Qmin一Qmax内，測(ce)得各流(liú)量檢定(dìng)點的儀(yi)表系數(shu)Ki并🙇🏻将各(ge)Kt取平均(jun)值得到(dào)`K，把`K作爲(wèi)該✏️傳感(gǎn)器的平(píng)均儀表(biao)系數。進(jìn)行流量(liang)測量時(shi)，測得渦(wo)輪流量(liàng)傳感器(qi)發出的(de)電脈沖(chòng)頻率F，即(ji)可由得(de)到相應(ying)的流量(liang)Q值，從而(er)完成流(liú)量測量(liàng)任務。
2渦(wo)輪流量(liàng)傳感器(qi)的測量(liàng)範圍
　　圖(tu)2顯示測(cè)量出電(dian)脈沖信(xìn)号頻率(lü)F用平均(jun)儀表系(xì)數`K計算(suàn)🈲得到的(de)Q值，在Qmin~Qmax範(fan)圍内的(de)最大相(xiang)對誤差(chà)爲:

　　在Q<Qmin或(huò)Q>Qmax，即在測(cè)量範圍(wei)之外誤(wù)差将超(chao)過δmax。這就(jiù)是說雖(suī)然渦輪(lun)流量傳(chuan)感器具(ju)有很好(hǎo)的重複(fú)性，但是(shi)由于電(diàn)脈沖信(xìn)号頻率(lǜ)F與♻️體積(jī)流量Q之(zhī)間是非(fei)線性的(de)，按照常(chang)規的平(píng)均儀表(biǎo)🏃🏻系數`K的(de)計算方(fāng)法，對于(yú)一定的(de)誤差限(xiàn)士A，由于(yú)非線性(xing)誤差的(de)存在🌈使(shi)得渦輪(lun)流量傳(chuan)感🥵器的(de)工作範(fàn)圍隻能(neng)限定在(zài)Qmin~Qmax之内。
　　對(duì)于重複(fú)性很好(hao)而線性(xìng)度較差(chà)的渦輪(lun)流量傳(chuán)感器，要(yào)擴大其(qí)測量範(fàn)圍或減(jian)小測量(liàng)誤差，研(yan)究的核(hé)心問👨‍❤️‍👨題(ti)是🏃🏻‍♂️設計(jì)一種便(bian)捷的使(shi)用方法(fa)，按照行(háng)鑒定規(guī)程利用(yòng)原有檢(jian)定數據(jù)，使渦輪(lún)流量傳(chuan)感器在(zài)具有很(hen)小重複(fu)性誤差(cha)的流量(liang)範圍内(nèi)，都能得(dé)到很準(zhun)确測量(liàng)效果。
3渦(wō)輪流量(liàng)傳感器(qi)的常規(gui)使用方(fang)法
　　像其(qí)它 速度(du)式流量(liang)計 一樣(yang)，渦輪流(liú)量傳感(gan)器出廠(chǎng)時要按(an)照渦輪(lún)流量傳(chuan)感器鑒(jiàn)定規💜程(cheng)(JJG198-94)的規定(dìng)進行計(jì)量性能(néng)檢定。傳(chuan)感器的(de)量程比(bi)a

　　按照公(gong)式(5)計算(suàn)得到非(fēi)線性誤(wu)差δ≤1.0%,對于(yu)量程比(bi)a=10的渦輪(lun)流量傳(chuan)感器，很(hěn)難實現(xiàn)。即采用(yong)平均儀(yi)表系數(shù)`K計算流(liu)量的計(jì)量精度(du)達到1.0級(jí)水平是(shì)一件很(hěn)難是達(da)到的指(zhǐ)标;而實(shí)際檢定(ding)數據顯(xiǎn)示，各流(liu)量檢定(dìng)點Qi上的(de)儀表系(xì)數Ki的重(zhòng)複性誤(wù)差Eri基本(ben)都能達(dá)到0.1%甚至(zhì)0.01%範🧡圍之(zhī)内。Eri由公(gong)式(6)計算(suàn)得到。


渦(wo)輪流量(liàng)傳感器(qi)的重複(fú)性誤差(chà)Er=Enmax
　　通常情(qing)況下，渦(wō)輪流量(liang)傳感器(qi)的量程(chéng)比a=10、非線(xiàn)性誤差(chà)δ≥1.0%而🥵重複(fú)🆚性誤差(cha)Er≤0.01。如果在(zai)使用渦(wo)輪流量(liàng)傳感器(qi)進行流(liu)量測量(liàng)時不對(duì)儀表系(xi).數取平(ping)均值，即(jí)不用平(píng)均儀表(biǎo)系數`K而(ér)是直接(jie)使用各(ge)流量檢(jiǎn)👄定點的(de)檢定儀(yi)表系數(shu)Ki，就有可(ke)能避免(miǎn)非線性(xìng)誤差對(duì)流量測(cè)量👈的影(ying)響。渦輪(lún)流量傳(chuan)感器的(de)測量誤(wù)差就有(you)可能從(cóng)🚩線性度(dù)δ=1.0%變爲重(zhòng)複性Eri=0.01%。即(jí)渦輪流(liu)量傳感(gan)器的制(zhi)🌐造工🐆藝(yi)不變、遵(zūn)循現行(háng)👄的計量(liàng)檢定規(gui)程、使用(yong)現有的(de)檢定數(shù)據，隻是(shi)對檢定(ding)💋數據的(de)使用方(fāng)法稍加(jiā)改變就(jiù)有可能(neng)成💰百倍(bèi)地提高(gāo)測量精(jing)度。
　　渦輪(lun)流量傳(chuan)感器輸(shu)出的脈(mo)沖信号(hào)頻率F=Nxn(N是(shì)渦輪葉(ye)片數，n是(shi)渦輪的(de)旋轉速(su)度);流過(guo)渦輪流(liu)量傳感(gan)器的被(bei)測流體(ti)體積流(liu)量Q=Sxu(S是流(liu)體的流(liu)通截面(mian)積，u流體(ti)介質的(de)流速);渦(wo)輪流量(liàng)

　　輪流量(liàng)傳感器(qi)的儀表(biǎo)系數K與(yu)Q的關系(xi)近似線(xiàn)性的😍單(dan)調函數(shu)(見圖2)。因(yin)此，在對(dui)檢定結(jié)果進行(háng)處理時(shí)，直接将(jiāng)😄各檢定(dìng)點的檢(jiǎn)定結果(guǒ)以Fi、Ki的形(xing)式存入(ru)渦輪流(liu)量計的(de)數值運(yùn)算部分(fèn)，不必對(dui)☎️其儀表(biǎo)系數取(qǔ)平均值(zhí)。在使用(yong)渦輪流(liu)量傳感(gǎn)器進行(hang)流量測(ce)量時，根(gen)據🐆渦輪(lún)流量傳(chuán)感器的(de)信号頻(pín)率F，即可(kě)在以上(shàng)檢定結(jie)果中檢(jian)索各F,值(zhi)，找出滿(mǎn)足F,≤F≤F的Fi、Fi+1(i=1,2,.，.n-1)，n是(shì)該渦輪(lun)流量傳(chuan)感器👄的(de)流量檢(jiǎn)定點數(shu);若信号(hao)頻率F=Fi或(huò)F=Fi+1，則相應(ying)的Ki或K.i+1即(jí)爲所需(xū)的儀表(biǎo)系數;若(ruò)信号頻(pín)率Fi<F<Fi+1，即所(suǒ)測得的(de)信号頻(pín)率不正(zheng)好在檢(jiǎn)測頻率(lǜ)點上，此(ci)時的儀(yí)表系數(shù)☎️K可以用(yong)線性插(chā)值公式(shì)(7)來計算(suan)☁️:

　　這種計(jì)算方法(fa)的設計(ji)思路是(shì)在檢定(dìng)頻率點(diǎn)上直接(jiē)用檢定(dìng)✂️點的檢(jian)定儀表(biǎo)系數，其(qí)誤差就(jiu)是該點(diǎn)的重複(fú)🍉性誤差(chà)δg;在檢定(ding)😘頻率點(diǎn)之間就(jiu)采用相(xiàng)鄰兩個(ge)檢定點(diǎn)的檢定(ding)儀表系(xì)數K、Ki+1的線(xiàn)性差值(zhi)得到該(gai)點的儀(yi)表系數(shù)K，由此帶(dài)來的最(zuì)大測👨‍❤️‍👨量(liàng)誤差的(de)極限值(zhi)爲🏒K、Ki+1之間(jian)的非線(xian)性誤差(chà)δ?max。因爲⭐各(ge)計量檢(jiǎn)定🚩點是(shi)按照鑒(jian)定規程(cheng)(JJG198-94)确定🈚的(de)，所以各(gè)檢定點(dian)的非線(xian)性誤差(chà)🙇🏻δ?max與全量(liàng)程非線(xiàn)性誤差(chà)δ之間應(yīng)滿足δ?max=δ/n.也(yě)就是說(shuo)使用這(zhè)種計🤞算(suàn)方法得(de)到的測(ce)🔱量結果(guǒ)其誤差(cha)值隻🈲有(yǒu)采用平(píng)均儀表(biao)系♋數時(shi)1/n由于渦(wo)📱輪流量(liàng)傳感器(qì)的儀表(biao)系數📧K與(yǔ)流量Q之(zhī)間當Q≥Q。時(shí)🏃基本呈(cheng)線性關(guān)系，所以(yǐ)用線性(xìng)插值法(fǎ)得到的(de)📧實際的(de)測量誤(wù)差8'更接(jie)近重複(fú)性誤差(chà)ER而遠小(xiǎo)于非線(xiàn)性誤差(cha)δ?max，即δ'≈En<ER<δ?max。
　　這種(zhong)計算方(fang)法與平(ping)均儀表(biao)系數方(fāng)法的區(qū)别在于(yú)渦輪流(liú)🙇🏻量計的(de)數據存(cún)儲區中(zhōng)存放的(de)是n組實(shí)際檢定(ding)結果而(ér)不是一(yī)個平均(jun1)儀表系(xi)數`K;使用(yòng)流量計(jì)進行流(liú)量測量(liàng)時，根據(jù)測得的(de)頻率值(zhí)F找到與(yu)之相鄰(lin)的一對(dui)檢定頻(pín)率點(Fi,Fi+1)及(jí)對應的(de)一對檢(jiǎn)定儀表(biao)系數(Ki，Ki+1),不(bu)是簡單(dān)地用測(cè)得的頻(pin)🐇率值F除(chu)以平均(jun)儀表系(xì)數`K就得(de)到了當(dāng)前流量(liang)值;根據(ju)(Fi,Fi+1).(Ki，Ki+1)，先用公(gōng)式(7)計算(suàn)出對應(ying)信号頻(pín)率F的儀(yí)表🔞系數(shu)K,然後用(yong)該頻率(lǜ)值F除以(yǐ)計算得(de)到的儀(yí)表系數(shù)K得到當(dāng)前流量(liang)Q。這種方(fang)法可稱(cheng)之爲“檢(jian)定系數(shu)折線法(fa)"。這種使(shi)用方法(fa)看似比(bi)用平均(jun1)儀表系(xi)數繁瑣(suo)，但在目(mu)前☂️廣泛(fan)采用的(de)微💘機化(hua)儀表🧡中(zhōng)非常容(rong)易實現(xiàn);采用此(cǐ)法在可(kě)編程控(kòng)制器(PLC)以(yi)及計算(suan)機檢測(ce)、控制系(xì)統中進(jìn)行流量(liàng)測量，可(kě)以在确(què)定的量(liang)程範圍(wei)内提高(gao)渦輪流(liu)量傳感(gan)器⛹🏻‍♀️的測(ce)量精度(dù)或者在(zài)确保精(jīng)确測量(liang)的前提(tí)下⛷️擴大(dà)測量範(fàn)圍。
4實驗(yan)數據分(fen)析
　　被檢(jian)儀表:公(gong)稱通徑(jìng)分别爲(wei)10mm和15mm的渦(wo)輪流量(liàng)傳感器(qì)各一台(tai);檢定✂️裝(zhuang)置:靜态(tai)稱重法(fa)标準水(shui)流量檢(jian)定裝😄置(zhi)，系統精(jīng)度+0.2%。分💰别(bie)采用常(chang)規的平(píng)均儀表(biao)系數法(fa)和檢定(dìng)系數折(shé)線法進(jìn)行标.定(dìng)，并❌與作(zuò)爲标準(zhǔn)的靜态(tai)稱重法(fǎ)的檢定(ding)結果進(jin)行比對(duì)，結果見(jian)表1.表2。

　　從(cóng)表1可見(jiàn)，在相同(tong)的量程(chéng)範圍(0.32m3/h~1.10m3/h)内(nei)，使用常(chang)規平均(jun)儀表系(xi)數法的(de)最大非(fēi)線性誤(wù)差爲0.2493%，而(ér)使用檢(jian)定系數(shu)💘折線法(fa)的最大(dà)誤差隻(zhī)有0.0569%，誤差(chà)堿少了(le)4倍多;表(biǎo)2顯示，使(shǐ)用常規(guī)平均儀(yí)表系數(shù)法的最(zui)大非線(xiàn)性誤差(cha)爲0.7646%，在相(xiang)同的量(liàng)程範圍(wei)(0.5m3/h~5.0m'/h)内，檢定(dìng)系數折(she)線法🏃🏻‍♂️的(de)最大誤(wù)差隻有(you)0.1566%，減少了(le)近5倍。顯(xiǎn)然，在同(tóng)樣的測(cè)量精度(dù)水平(如(ru)對10mm渦輪(lun)取0.2級、對(dui)15mm渦輪取(qǔ)0.5級)下，采(cǎi)用檢定(dìng)系數修(xiū)正法渦(wō)輪流👄量(liang)傳感器(qì)的測量(liàng)範圍比(bi)使用常(cháng)規的平(ping)均儀表(biao)系數法(fǎ)有了明(ming)顯的擴(kuò)大。

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