摘要:渦輪流(liú)量計 是應用廣泛(fan)的流量計量儀表(biǎo)。它的結構簡單、靈(ling)敏度高🔞、壓⛱️力👅損💋失(shī)小。特别是其良好(hao)的重複性、穩定性(xìng)倍受🧑🏾‍🤝‍🧑🏼用戶⛱️的青睐(lai)。但是長期以來，由(you)于其非線性特性(xìng)的存在，使其😘流量(liang)測量範圍受到很(hen)🔞大制約。通過對渦(wō)輪流量計輸出脈(mò)沖信号特性的研(yán)究和分析，提出了(le)一種擴大渦輪流(liu)量計量程範圍的(de)方法，這種方法簡(jiǎn)單☔易行、行之有效(xiào)并可應用于其他(tā)脈沖頻率輸出的(de)傳感器中去。
1渦輪(lún)流量傳感器的工(gōng)作原理
　　渦輪流量(liang)傳感器結構如圖(tú)1所示，屬于速度式(shì)流量傳感器。渦🍉輪(lún)置于流體通道中(zhōng)，随着流體的流動(dòng)産生旋⛹🏻‍♀️轉，設渦輪(lun)的轉速爲n、流過渦(wō)輪的流體速度爲(wèi)🎯u,則n與u成正比;流體(ti)通道的流通截面(mian).積S是已知的常數(shù)，所以，流過渦輪流(liú)量傳感器的流體(tǐ)體積流量Q爲:

　　測量流體速(su)度u通常是利用電(dian)磁感應原理将與(yǔ)流體💚速度成正♻️比(bǐ)的渦輪轉速n變成(cheng)脈沖頻率F:
F=Nxn(2)
　　公式(2)中(zhōng)，N是渦輪流量傳感(gǎn)器的葉片數，n是葉(yè)輪的旋轉速度❓。渦(wō)😍輪流量傳感器一(yī)旦選定，其葉片數(shu)N即爲常數，所以信(xìn)号頻率F與轉速n呈(chéng)線性關系;由于葉(ye)輪的轉速n正比于(yu)流體的流速u,對于(yu)截面積S恒定的流(liu)通管路，由公式(1)可(kě)見，流體速度🥵u與流(liu)量Q之間也呈線性(xìng)關系。所以，電脈沖(chong)信号頻率F也就正(zheng)比于流量Q。在💘使用(yong)渦輪流👄量傳感器(qi)時，隻要測量出它(tā)的輸出電脈沖信(xìn)号頻率F，就可以計(jì)算出相應的體積(jī)流量Q。

　　雖然電脈沖信号(hào)頻率F與體積流量(liàng)Q是正比關系，但是(shi)其比值卻不是常(cháng)數。其原因是流體(tǐ)的摩擦阻力、粘滞(zhi)阻力、磁電轉換器(qi)的電磁阻力以及(jí)渦輪軸與軸承之(zhī)間的機械摩擦阻(zǔ)力等都與流體的(de)流動速度有關。可(kě)以用來表達各參(cān)數間的關系。
　　式中(zhōng)，M是渦輪傳感器輸(shu)出的電脈沖數，V是(shì)流過渦輪傳感器(qì)的流體體積，即`K爲(wei)通過單位流體流(liú)量渦輪💃流量💚傳感(gǎn)💞器發✊出的電脈沖(chòng)頻率或單位體積(jī)流體渦輪流👌量傳(chuán)感器發出的電脈(mo)沖數，`K稱爲渦輪流(liú)量傳感器的平均(jun)儀表💔系數。圖2表示(shì)了`K與Q之間的關系(xi)。以往常規使👌用方(fang)法是在渦輪流量(liàng)傳感器的測量範(fan)圍Qmin一Qmax内，測得🏃🏻各流(liu)量檢定點的儀表(biǎo)系數Ki并将各Kt取平(ping)均值⁉️得到`K，把`K作爲(wèi)該傳感器的平均(jun)儀表系數。進行流(liú)量測量時，測得渦(wō)輪流量傳感⛱️器發(fa)出的電⛹🏻‍♀️脈沖頻率(lü)F，即可由得到相應(yīng)的流量Q值，從而完(wan)成流量測量任務(wu)。
2渦輪流量傳感器(qì)的測量範圍
　　圖2顯(xian)示測量出電脈沖(chong)信号頻率F用平均(jun)儀表系數`K計算得(de)㊙️到🔅的Q值，在Qmin~Qmax範圍内(nei)的最大相對誤差(cha)爲:

　　在Q<Qmin或Q>Qmax，即在測量(liàng)範圍之外誤差将(jiāng)超過δmax。這就是說雖(suī)然渦輪流量傳感(gǎn)器具有很好的重(zhòng)複性，但是由于電(diàn)脈沖信号頻率F與(yu)體積流量Q之間是(shi)非線性的，按照常(cháng)規的平均儀表系(xi)數`K的計算方法，對(duì)于🏃‍♀️一定的誤差限(xiàn)士A，由于💰非線性誤(wù)差的存在使得渦(wo)輪流量傳感👄器的(de)工作範圍隻能限(xian)定在Qmin~Qmax之内。
　　對于重(zhong)複性很好而線性(xìng)度較差的渦輪流(liú)量傳感器，要擴大(dà)其測量範圍或減(jiǎn)小測量誤差，研究(jiū)的核🐕心問🔞題是設(she)計一種便捷☀️的使(shǐ)用方法，按照行鑒(jian)定規程利用原有(yǒu)檢定數據，使渦輪(lún)流量傳感器在具(ju)🌈有很小重複性誤(wu)差的流量範圍内(nei)，都能得到很準⭐确(que)測量效果。
3渦輪流(liú)量傳感器的常規(gui)使用方法
　　像其它(tā) 速度式流量計 一(yī)樣，渦輪流量傳感(gǎn)器出廠時要按照(zhào)渦輪流量傳感器(qì)鑒定規程(JJG198-94)的規定(ding)進行計量性能檢(jiǎn)定。傳感器的量程(cheng)比a

　　按照公式(5)計算(suan)得到非線性誤差(chà)δ≤1.0%,對于量程比a=10的渦(wō)輪流量傳感⛷️器，很(hěn)難實現。即采用平(ping)均儀表系數`K計算(suan)流量的計量精度(dù)達到1.0級水平是一(yī)件很難是達到的(de)指标;而實際檢定(ding)數據顯示，各流量(liang)檢定點Qi上的儀表(biao)系數Ki的重複性誤(wù)差Eri基本都能達到(dao)0.1%甚至0.01%範❤️圍之内。Eri由(yóu)公式(6)計算得到。


渦(wo)輪流量傳感器的(de)重複性誤差Er=Enmax
　　通常(chang)情況下，渦輪流量(liàng)傳感器的量程比(bǐ)a=10、非線性誤差🚶‍♀️δ≥1.0%而🤟重(zhong)複性誤差Er≤0.01。如果在(zài)使用渦輪流量傳(chuán)感器進⛹🏻‍♀️行流量測(cè)量時不對‼️儀表系(xi).數取平均值，即不(bu)用平均儀表系數(shu)`K而是直接使用各(ge)流量檢定點的檢(jiǎn)定儀表系數Ki，就有(yǒu)可能避免非線性(xìng)誤差對流量測量(liàng)🔱的影響。渦輪🚶流量(liàng)傳感器的測量誤(wù)差就有可能從☀️線(xian)性度δ=1.0%變爲重複性(xìng)Eri=0.01%。即渦輪流量傳感(gan)器的制造工藝不(bu)變、遵循現行的計(ji)量檢定規程、使用(yong)現有的檢☀️定數據(ju)，隻是對檢定數據(jù)的使用方法稍加(jiā)改變就🐇有可能成(chéng)百倍地提高測量(liàng)精度。
　　渦輪流量傳(chuan)感器輸出的脈沖(chòng)信号頻率F=Nxn(N是渦輪(lun)葉片數，n是渦✏️輪⛱️的(de)旋轉速度);流過渦(wo)輪流量傳感器的(de)被測流體體積流(liu)量Q=Sxu(S是流體的流通(tong)截面積，u流體介⛷️質(zhi)的流速);渦輪🏃🏻流量(liang)

　　輪流量傳感器的(de)儀表系數K與Q的關(guan)系近似線性的單(dān)調函數(見🧡圖2)。因此(cǐ)，在對檢定結果進(jìn)行處理時，直⭐接将(jiang)各檢定點的檢定(dìng)結果以Fi、Ki的形式存(cún)入渦輪流量計的(de)數值運算部分，不(bú)必對其儀表系數(shù)取平均值。在使用(yong)渦輪流量傳感器(qì)進👈行流量測量時(shi)，根據渦輪流量傳(chuán)感器的信号頻率(lü)F，即可在以上檢定(ding)結果中檢索各F,值(zhí)，找出滿足F,≤F≤F的Fi、Fi+1(i=1,2,.，.n-1)，n是該(gai)渦輪流量傳感器(qì)💞的流量檢🌈定點數(shu);若信号⛷️頻率F=Fi或F=Fi+1，則(ze)相應的Ki或K.i+1即爲所(suo)需的儀表系數;若(ruo)信号頻率Fi<F<Fi+1，即所測(cè)得的信号頻率不(bu)正好在檢測頻率(lü)🔱點上，此時的儀表(biao)系數K可以🌈用線性(xìng)插值公式(7)來計算(suàn)♋:

　　這種計算方法的(de)設計思路是在檢(jiǎn)定頻率點上直接(jie)用🌏檢📱定❓點的檢定(ding)儀表系數，其誤差(cha)就是該點的📱重複(fu)性誤差δg;在檢定頻(pin)率💔點之間就采用(yong)相鄰兩個檢定點(diǎn)的檢定儀表系數(shù)K、Ki+1的線性差值得到(dào)該點的儀表系數(shù)💯K，由此帶來⁉️的最大(dà)測⛱️量誤差的極限(xian)值爲K、Ki+1之間的非線(xian)性誤差δ?max。因爲各計(jì)量檢定點是按照(zhao)鑒⛷️定規程(JJG198-94)确定的(de)👌，所以各檢定點的(de)非線性誤差δ?max與全(quan)✔️量程非線性誤差(chà)♌δ之間應滿足δ?max=δ/n.也就(jiu)是說使用這種計(jì)算方法得到的測(ce)量結果其誤差值(zhí)隻有采用平均儀(yí)表系數時1/n由于渦(wō)🤩輪流量🔴傳感器的(de)儀表系數K與流量(liang)Q之間當Q≥Q。時基本呈(chéng)線性關系，所以用(yòng)線性插值法得到(dào)的實際的測量誤(wù)差8'更接近重複性(xing)誤差⭐ER而遠小于非(fei)線性誤差δ?max，即δ'≈En<ER<δ?max。
　　這種(zhǒng)計算方法與平均(jun1)儀表系數方法的(de)區别在于渦輪流(liu)🥵量💋計的數據存儲(chu)區中存放的是n組(zǔ)實際檢定結果而(ér)不是一個平均儀(yí)表系數`K;使用流量(liàng)計進行流量測量(liang)時📞，根據測得的頻(pin)💋率值F找到與之相(xiàng)鄰的一對檢定頻(pín)率點(Fi,Fi+1)及對應的一(yi)對檢定🔅儀表系數(shù)(Ki，Ki+1),不是簡單地💜用測(cè)得的頻率值F除以(yi)平均儀表系數`K就(jiù)得到了當☎️前🏃流量(liang)值;根據(Fi,Fi+1).(Ki，Ki+1)，先用公式(shì)(7)計算出對應信号(hao)頻率F的儀表系數(shu)K,然後用該頻♉率值(zhí)F除以計算得📱到的(de)儀表系數K得到當(dang)前流量Q。這種方法(fǎ)可稱之爲“檢定系(xì)數折線法"。這種使(shǐ)用方法看似比用(yong)平均🏃🏻‍♂️儀表系數繁(fan)瑣，但在目前廣泛(fàn)采用的微機化儀(yi)表❄️中非常容易實(shi)現;采用此法在可(kě)編程控制器(PLC)以及(jí)計算機檢測、控制(zhi)系統中進行流量(liang)測量，可以在确👣定(dìng)的量程⛷️範圍内提(ti)高渦輪流量📱傳感(gan)器的測量精度或(huò)者在确保精确測(ce)量的前提下擴大(da)測量範圍。
4實驗數(shù)據分析
　　被檢儀表(biao):公稱通徑分别爲(wèi)10mm和15mm的渦輪流量傳(chuan)感器各一台;檢定(dìng)裝置:靜态稱重法(fa)标準水流量檢定(dìng)裝置，系統精度+0.2%。分(fen)别采用常規的平(ping)均儀表系數法和(hé)檢定系數折線法(fa)進行标.定，并與作(zuò)爲标準的靜态稱(cheng)重法的檢定結果(guǒ)進行比對👄，結果見(jian)表1.表2。

　　從表1可見，在(zài)相同的量程範圍(wei)(0.32m3/h~1.10m3/h)内，使用常規平均(jun)儀🚶‍♀️表系數🚩法的最(zuì)大非線性誤差爲(wei)0.2493%，而使用檢定系數(shù)♈折線法的🌐最大誤(wù)差隻有0.0569%，誤差堿少(shao)了4倍多;表2顯示，使(shǐ)用常規平均儀表(biao)系數法的最大非(fēi)線性誤差爲0.7646%，在相(xiang)同的量程範圍(0.5m3/h~5.0m'/h)内(nèi)，檢定系數折線法(fa)的最大誤🌈差隻有(yǒu)0.1566%，減少了近5倍。顯然(ran)，在同樣的測量精(jing)度水平(如對10mm渦輪(lún)取0.2級、對15mm渦輪取0.5級(jí))下☀️，采用檢定系數(shù)修正法渦輪流🥰量(liang)傳感🎯器的測⛷️量範(fàn)圍比使用常規的(de)平均儀表系數法(fǎ)有了📧明顯的擴大(da)。

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