摘要:渦輪(lun)流量計 是(shì)應用廣泛(fàn)的流量計(jì)量儀表。它(tā)的結構簡(jiǎn)單、靈敏度(du)高、壓力損(sun)失小。特别(bie)是其良好(hǎo)的重複性(xing)、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(ce)量範圍受(shòu)到很大制(zhi)約。通過對(duì)渦輪流💋量(liang)計輸出脈(mo)沖信号特(tè)性的研👈究(jiu)和分析，提(tí)出了一種(zhong)擴大渦輪(lun)流量計量(liang)程範🤩圍的(de)方法，這種(zhǒng)方法簡單(dān)✔️易行、行之(zhī)有效并⛷️可(kě)應用于其(qi)他脈沖頻(pin)率輸出的(de)傳感器中(zhong)去♻️。
1渦輪流(liú)量傳感器(qi)的工作原(yuán)理
　　渦輪流(liu)量傳感器(qì)結構如圖(tu)1所示，屬于(yú)速度式流(liú)量傳感器(qì)📧。渦輪💜置于(yú)流體通道(dao)中，随着流(liu)體的流動(dong)産生旋轉(zhuǎn)，設渦輪的(de)轉速爲n、流(liú)過渦輪的(de)流體速度(dù)爲u,則n與u成(cheng)正比;流體(ti)通道的流(liú)通截面.積(jī)⛹🏻‍♀️S是已知的(de)常數，所以(yǐ)，流♊過渦輪(lún)流👨‍❤️‍👨量傳感(gan)器的流體(ti)體積流量(liang)Q爲🛀🏻:

　　測量流體(ti)速度u通常(chang)是利用電(dian)磁感應原(yuan)理将與流(liu)體速度👨‍❤️‍👨成(chéng)正比的渦(wo)輪轉速n變(biàn)成脈沖頻(pin)率F:
F=Nxn(2)
　　公式(2)中(zhōng)，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(dù)。渦輪流量(liang)傳感器一(yī)旦選定，其(qi)葉片數N即(ji)爲常數，所(suǒ)以👨‍❤️‍👨信号頻(pin)率F與轉🤟速(su)n呈線性關(guan)系;由于葉(yè)輪🤞的轉速(su)n正比于流(liú)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(kě)見，流體速(su)度u與流量(liang)Q之間也呈(cheng)線性關系(xì)。所以✏️，電脈(mo)沖信号頻(pín)率F也就正(zhèng)比于流量(liàng)Q。在使用渦(wō)輪流量💔傳(chuán)感器時，隻(zhi)要測量出(chū)它的輸出(chū)電脈沖信(xìn)号🏃‍♀️頻率F，就(jiu)可以計算(suàn)出相應的(de)體積流量(liang)Q。

　　雖然電脈(mo)沖信号頻(pín)率F與體積(jī)流量Q是正(zhèng)比關系，但(dan)是其比值(zhi)卻不是常(cháng)數。其原因(yin)是流體的(de)摩擦阻力(li)❗、粘滞阻力(lì)、磁電轉換(huàn)器的電磁(ci)阻力以及(jí)渦輪軸與(yǔ)軸承之間(jian)的機械摩(mó)擦阻力等(děng)都與流體(tǐ)的流動速(su)度有關。可(kě)🥰以用來表(biǎo)達各參數(shu)間的關系(xì)。
　　式中，M是渦(wo)輪傳感器(qì)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(guo)單位流體(ti)流量渦輪(lún)流量傳感(gǎn)❄️器發出的(de)電脈沖頻(pín)率或單位(wèi)體積流體(ti)渦輪流量(liàng)傳感器發(fa)出💋的電脈(mò)沖數，`K稱爲(wèi)渦輪流量(liang)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(gui)使用方法(fǎ)是在渦輪(lun)流量傳感(gan)器的測量(liang)✔️範圍Qmin一Qmax内(nèi)，測💁得💞各流(liu)量檢定點(diǎn)的儀表系(xi)數Ki并将各(ge)Kt取平均值(zhí)得到`K，把`K作(zuo)爲該傳感(gan)器的平均(jun1)儀表系數(shù)。進行流量(liang)測量時，測(cè)得渦輪流(liu)量傳感器(qì)發出的電(dian)💔脈沖頻率(lü)🆚F，即可由得(dé)到相應的(de)流量Q值，從(cóng)而完成流(liú)量測量任(ren)務。
2渦輪流(liú)量傳感器(qi)的測量範(fan)圍
　　圖2顯示(shi)測量出電(diàn)脈沖信号(hao)頻率F用平(píng)均儀表系(xi)數`K計算得(dé)到🏃的Q值，在(zai)Qmin~Qmax範圍内的(de)最大相對(dui)誤差爲:

　　在(zài)Q<Qmin或Q>Qmax，即在測(ce)量範圍之(zhi)外誤差将(jiang)超過δmax。這就(jiu)是說雖然(ran)渦輪流量(liang)傳感器具(ju)有很好的(de)重複性，但(dàn)是由于電(dian)脈沖信号(hào)頻率F與體(ti)積流量Q之(zhī)間是非線(xian)性的，按照(zhào)常規的平(ping)🌈均儀表💃🏻系(xì)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(xing)誤差的存(cún)在使得渦(wō)輪🐇流量傳(chuan)感器的工(gōng)作範圍隻(zhī)能限定🛀🏻在(zai)Qmin~Qmax之内。
　　對于(yu)重複性很(hěn)好而線性(xìng)度較差的(de)渦輪流量(liàng)傳感器，要(yào)擴大其測(cè)量範圍或(huo)減小測量(liang)誤差，研究(jiū)的核心問(wen)題是設計(ji)一種便捷(jié)的使用方(fang)法，按照行(háng)鑒定規程(cheng)利用原有(you)檢定數據(jù)，使渦👅輪流(liú)量傳感器(qi)在具🌈有很(hěn)小重複性(xing)誤差的流(liú)量範圍内(nèi)，都能得到(dào)很準确測(cè)量效果🤟。
3渦(wō)輪流量傳(chuán)感器的常(chang)規使用方(fāng)法
　　像其它(tā) 速度式流(liu)量計 一樣(yàng)，渦輪流量(liang)傳感器出(chū)廠時要按(àn)照渦輪流(liú)量傳感器(qì)鑒定規程(chéng)(JJG198-94)的規定進(jin)行計量性(xing)能檢定。傳(chuan)感器的量(liang)⭕程比a

　　按照(zhao)公式(5)計算(suan)得到非線(xian)性誤差δ≤1.0%,對(dui)于量程比(bǐ)a=10的渦輪流(liu)量傳感器(qì)，很難實現(xian)。即采用平(píng)均儀表系(xi)數`K計算流(liú)量的👉計量(liàng)精度達到(dào)1.0級水平是(shi)一件很難(nán)是達到的(de)指⁉️标;而實(shí)際檢定數(shù)據顯📱示，各(gè)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(dōu)能達到0.1%甚(shèn)至0.01%範圍之(zhī)内。Eri由公式(shi)(6)計算得到(dao)。


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(gan)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(shǐ)用渦輪流(liú)量傳感器(qi)進行流量(liang)測量時不(bu)對儀表🐇系(xi).數取平均(jun1)值，即不用(yong)平均儀表(biao)系數`K而是(shi)直接使用(yong)各流量檢(jian)定點的檢(jian)定🆚儀表系(xì)數Ki，就有可(ke)能避免非(fei)線性誤差(cha)對流量測(cè)量的影響(xiǎng)。渦輪👌流量(liàng)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(lun)流量傳感(gan)器的制造(zào)工藝不變(biàn)、遵循現行(hang)的計量檢(jiǎn)定規程、使(shi)用現有的(de)檢定數據(ju)，隻是對檢(jian)定數據的(de)使用方法(fa)🔴稍加改變(biàn)就有可能(néng)成百倍地(dì)提高測量(liang)精度。
　　渦輪(lún)流量傳感(gan)器輸出的(de)脈沖信号(hào)頻率F=Nxn(N是渦(wō)輪葉片❗數(shu)，n是渦🆚輪的(de)旋轉速度(dù));流過渦輪(lún)流量傳感(gan)器的💃被測(ce)流體體積(jī)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(liú)量傳感器(qì)的儀表系(xì)數K與Q的關(guan)系近似線(xiàn)性的單🔆調(diào)函數㊙️(見圖(tú)2)。因此，在對(dui)檢定結果(guo)進行處理(lǐ)時，直接将(jiāng)各檢定點(dian)的檢定結(jié)果以Fi、Ki的形(xíng)式存入渦(wo)輪流量計(jì)的數值運(yun)算部分，不(bu)必對其儀(yí)表系數取(qu)平均值。在(zài)使用渦輪(lún)流量傳感(gǎn)器進行流(liú)量測量時(shí)，根據渦輪(lún)流量傳感(gan)器的信号(hào)頻率F，即可(ke)在以上檢(jiǎn)定結✌️果中(zhong)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(wō)輪流量傳(chuán)感器的流(liú)量檢定點(diǎn)數💘;若信号(hào)頻率F=Fi或F=Fi+1，則(ze)🚶相應的Ki或(huo)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(suo)測得的信(xìn)号頻率不(bú)正好在檢(jiǎn)測頻率點(dian)上，此時的(de)儀表系數(shù)🈲K可以用線(xiàn)性插值公(gōng)式(7)來計算(suan):

　　這種計算(suan)方法的設(shè)計思路是(shi)在檢定頻(pín)率點上直(zhí)💯接♈用檢定(dìng)🌂點的檢定(dìng)儀表系數(shù)，其誤差就(jiù)是該點的(de)重複性誤(wu)🔴差δg;在檢定(dìng)頻率點之(zhi)間就采用(yòng)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(de)到該點的(de)儀表系數(shù)🆚K，由此帶來(lái)‼️的最大測(ce)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(ji)量檢定點(diǎn)是按照鑒(jiàn)定規程(JJG198-94)确(què)定的✏️，所以(yǐ)各檢定點(dian)⛱️的非線性(xìng)誤差δ?max與全(quán)量程非線(xiàn)🌈性誤差🧑🏽‍🤝‍🧑🏻δ之(zhī)間應⭐滿足(zú)δ?max=δ/n.也就是說(shuō)使用這種(zhǒng)計算方法(fa)得到的測(cè)量結果其(qí)誤差值隻(zhi)有采用平(ping)均儀表系(xì)數時1/n由于(yu)渦輪流量(liàng)🔴傳感器的(de)儀表系數(shu)❗K與流量Q之(zhi)間當Q≥Q。時🏃基(jī)本呈線性(xing)關系，所以(yi)用線性插(chā)值法得到(dào)的實際的(de)測量誤差(chà)8'更接近重(zhòng)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(zhong)計算方法(fǎ)與平均儀(yí)表系數方(fāng)法的區别(bié)在于渦輪(lún)流量計的(de)數據存儲(chǔ)區中存放(fàng)的是n組實(shi)際檢定結(jié)果而不是(shì)一個平均(jun1)儀表系數(shu)`K;使用流量(liang)計進行流(liu)量測量時(shi)，根據測得(dé)的頻🚶率值(zhi)F找到與之(zhi)相鄰的一(yi)對檢定頻(pín)率點(Fi,Fi+1)及對(duì)應的一對(duì)檢定儀表(biao)系數🌈(Ki，Ki+1),不是(shì)簡單地用(yong)測得的頻(pín)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(ran)後用該頻(pín)率值F除以(yi)計算得到(dào)的儀表系(xi)數K得到當(dang)前流量Q。這(zhè)種方法可(kě)稱之👨‍❤️‍👨爲“檢(jian)定系🏃‍♂️數折(she)線法"。這種(zhǒng)使用方法(fa)看似比用(yòng)平均儀表(biao)系數繁瑣(suǒ)，但在目前(qian)廣泛采用(yòng)的微💜機化(huà)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(liàng)測量，可以(yi)在确定的(de)量程範圍(wéi)内提高渦(wo)輪流量傳(chuán)感器的測(cè)量精度或(huo)者在确保(bǎo)精确♍測量(liàng)的前提下(xià)擴大測量(liàng)範圍。
4實驗(yàn)數據分析(xi)
　　被檢儀表(biao):公稱通徑(jing)分别爲10mm和(he)15mm的渦輪流(liú)量傳感器(qi)各一台;檢(jian)定🌏裝置:靜(jing)态稱重法(fǎ)标準水流(liu)量檢定裝(zhuāng)😄置，系統精(jing)度+0.2%。分♋别采(cai)㊙️用常規的(de)平均儀表(biǎo)系數法和(he)檢定系數(shù)折線法進(jìn)行标.定，并(bìng)與作爲标(biao)準的靜态(tai)稱重法的(de)檢定結果(guǒ)👅進行比對(duì)，結果見表(biǎo)⁉️1.表2。

　　從表1可(kě)見，在相同(tong)的量程範(fàn)圍(0.32m3/h~1.10m3/h)内，使用(yong)常規平均(jun1)儀💜表系💔數(shù)法的最大(da)非線性誤(wu)差爲0.2493%，而使(shi)用檢定系(xì)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(xian)示，使用常(chang)🥰規平均儀(yí)表系數法(fa)的🏒最大非(fēi)線性誤差(cha)爲0.7646%，在相同(tong)的量程範(fàn)圍(0.5m3/h~5.0m'/h)内，檢定(ding)系數折線(xiàn)法的最大(dà)誤🌈差隻有(yǒu)0.1566%，減少了近(jin)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(jian)定系數㊙️修(xiū)正法渦輪(lún)流量傳感(gǎn)器的測🛀量(liang)範圍比使(shi)用常規的(de)平均儀表(biǎo)系數法有(yǒu)了🈚明顯的(de)擴大。

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