摘要:渦輪流量(liàng)計
是應(yīng)用廣泛(fàn)的流量計(jì)量儀(yí)表。它(tā)的(de)結構簡單、靈敏度高、壓(yā)力損失小。特别是其(qí)良好的重複性、穩定性倍受用戶的(de)青睐(lài)。但是(shì)長期(qī)以來(lái)，由于(yú)其(qí)非線性(xìng)特性的存(cún)在，使(shǐ)其流量測量範(fàn)圍受到(dào)很(hěn)大制(zhì)約。通過對渦輪(lún)流量計(jì)輸出脈(mò)沖信号(hào)特性的研究和(hé)分析，提出了(le)一(yī)種擴大(dà)渦輪流量(liàng)計量程範(fàn)圍的方法(fǎ)，這種(zhǒng)方法簡單易行(háng)、行之有效(xiào)并可(kě)應用(yòng)于其他脈沖頻(pín)率輸(shū)出的傳感器中(zhōng)去。
1渦(wō)輪流量傳(chuán)感器的工(gōng)作原(yuán)理
渦(wō)輪(lún)流(liú)量傳(chuán)感器結構(gòu)如圖(tú)1所示，屬(shǔ)于速度(dù)式流量傳(chuán)感器(qì)。渦(wō)輪置于流體(tǐ)通道中，随着流體的(de)流動(dòng)産生(shēng)旋轉，設渦輪的轉速爲n、流過渦(wō)輪(lún)的流體速度(dù)爲u,則n與(yǔ)u成正比(bǐ);流體通道(dào)的流(liú)通截面.積s是已知的(de)常數，所以，流(liú)過渦輪流量(liàng)傳感器的流體體積流量(liàng)q爲:
測量(liàng)流體速(sù)度(dù)u通常(cháng)是利(lì)用電磁感(gǎn)應原(yuán)理(lǐ)将(jiāng)與流(liú)體速度(dù)成正比(bǐ)的渦輪轉速n變成脈(mò)沖(chòng)頻(pín)率f:
f=nxn(2)
公(gōng)式(2)中，n是渦(wō)輪流量傳感器的葉(yè)片數，n是葉(yè)輪的(de)旋轉速(sù)度。渦輪(lún)流量(liàng)傳感(gǎn)器一(yī)旦選定(dìng)，其葉(yè)片數n即爲常數，所以信号頻率f與(yǔ)轉速n呈線性關(guān)系;由(yóu)于葉輪的(de)轉速n正比(bǐ)于流(liú)體的流速(sù)u,對于(yú)截面積s恒(héng)定的(de)流通(tōng)管路，由公(gōng)式(1)可見，流(liú)體速(sù)度u與(yǔ)流量q之(zhī)間也呈線性(xìng)關系(xì)。所以(yǐ)，電(diàn)脈沖信(xìn)号頻率f也就正比(bǐ)于流量q。在使(shǐ)用渦輪流(liú)量傳感器(qì)時，隻要測(cè)量出(chū)它(tā)的輸出電脈(mò)沖信号頻(pín)率(lǜ)f，就可以計算(suàn)出相(xiàng)應的體積流量q。
雖然(rán)電脈沖信号(hào)頻率f與(yǔ)體積流量(liàng)q是正比關(guān)系，但(dàn)是其(qí)比值卻不是常(cháng)數。其(qí)原因是流(liú)體的摩擦阻力、粘滞阻(zǔ)力、磁電轉換器的電磁(cí)阻力以及渦輪(lún)軸與軸承(chéng)之間(jiān)的機(jī)械摩擦阻(zǔ)力等(děng)都與流(liú)體(tǐ)的流動(dòng)速(sù)度有(yǒu)關。可以(yǐ)用
來表(biǎo)達各參數(shù)間的關系。
式中(zhōng)，m是渦(wō)輪傳感(gǎn)器輸出(chū)的電(diàn)脈沖(chòng)數，v是流過(guò)渦輪傳感(gǎn)器的流體(tǐ)體積(jī)，即(jí)`k爲通過單位(wèi)流體流(liú)量(liàng)渦輪流量(liàng)傳感(gǎn)器發(fā)出的(de)電(diàn)脈沖頻率或單位體積(jī)流體渦輪流量傳感器發出(chū)的電脈沖(chòng)數(shù)，`k稱爲(wèi)渦輪(lún)流量傳感(gǎn)器的平均(jun1)儀表(biǎo)系數。圖2表(biǎo)示了(le)`k與q之間的(de)關系。以往(wǎng)常規(guī)使用(yòng)方法是在渦輪(lún)流量(liàng)傳感器的(de)測量範圍(wéi)qmin一qmax内(nèi)，測得(dé)各流量檢定點的儀(yí)表系(xì)數ki并将各kt取平(píng)均值得到(dào)`k，把`k作爲該傳感(gǎn)器的(de)平均儀表系數(shù)。進行流量測量(liàng)時，測得渦(wō)輪流(liú)量傳(chuán)感(gǎn)器發出(chū)的電脈沖頻率f，即可由
得(dé)到(dào)相(xiàng)應的流(liú)量(liàng)q值，從(cóng)而完成(chéng)流量測(cè)量任務。
2渦(wō)輪流(liú)量傳(chuán)感器(qì)的測(cè)量範圍
圖2顯示(shì)測量出(chū)電脈沖(chòng)信号頻(pín)率f用平均儀(yí)表(biǎo)系數`k計(jì)算得到的q值，在(zài)qmin~qmax範圍(wéi)内的(de)最大(dà)相對誤差爲:
在q<qmin或q>qmax，即(jí)在(zài)測量範圍之外(wài)誤(wù)差将(jiāng)超過δmax。這就是說(shuō)雖然渦輪(lún)流量(liàng)傳感器(qì)具有很(hěn)好的重(zhòng)複性，但(dàn)是由于電(diàn)脈沖(chòng)信号頻(pín)率(lǜ)f與體(tǐ)積流量q之間(jiān)是(shì)非線性的，按照(zhào)常規的平均儀(yí)表系數(shù)`k的(de)計算方法(fǎ)，對于一定(dìng)的誤差限士a，由于非線性誤差的存在(zài)使(shǐ)得渦輪流量傳感器的工作範(fàn)圍隻(zhī)能限(xiàn)定在qmin~qmax之内(nèi)。
對于重複(fú)性很(hěn)好而(ér)線性度較差的(de)渦輪(lún)流量傳感器(qì)，要擴大(dà)其測量範(fàn)圍(wéi)或(huò)減小測量誤差，研究的核心問題是(shì)設計一種(zhǒng)便捷的(de)使用方(fāng)法，按(àn)照行鑒(jiàn)定(dìng)規程利用(yòng)原有(yǒu)檢定數(shù)據，使渦(wō)輪流量(liàng)傳感器在具有很小重(zhòng)複性(xìng)誤(wù)差的(de)流(liú)量範圍内(nèi)，都能(néng)得到很(hěn)準确測量效果。
3渦(wō)輪流(liú)量傳感器(qì)的常(cháng)規使(shǐ)用方法
像(xiàng)其它
速度式流(liú)量計
一(yī)樣，渦輪(lún)流量傳感器出(chū)廠時要按(àn)照渦(wō)輪流量傳感器(qì)鑒定規程(jjg198-94)的規(guī)定進行計量性能檢定。傳感器(qì)的(de)量(liàng)程比(bǐ)a
按照(zhào)公式(5)計算得到非線性(xìng)誤差δ≤1.0%,對(duì)于量程比a=10的渦(wō)輪流量(liàng)傳感器，很難(nán)實現。即采(cǎi)用平均儀(yí)表系數`k計算流(liú)量的(de)計量精度達到(dào)1.0級水(shuǐ)平是(shì)一件(jiàn)很難是達到的(de)指标;而實際檢(jiǎn)定數據顯(xiǎn)示，各(gè)流量檢定(dìng)點qi上(shàng)的儀表系(xì)數ki的(de)重複(fú)性誤差eri基(jī)本都能達到0.1%甚(shèn)至0.01%範圍之内。eri由(yóu)公式(6)計(jì)算(suàn)得到(dào)。
渦輪流(liú)量(liàng)傳感(gǎn)器的重(zhòng)複(fú)性誤(wù)差er=enmax
通常情況下(xià)，渦輪流(liú)量(liàng)傳感(gǎn)器的(de)量程比a=10、非(fēi)線性(xìng)誤差δ≥1.0%而重(zhòng)複性(xìng)誤差er≤0.01。如果(guǒ)在使用渦輪流(liú)量傳(chuán)感器(qì)進行(háng)流量測量時不對儀表系.數取(qǔ)平(píng)均值，即不用平均(jun1)儀表系數(shù)`k而是(shì)直接(jiē)使用(yòng)各流(liú)量檢定點(diǎn)的檢定儀(yí)表系數ki，就有可(kě)能避(bì)免非線性誤差對流量測量的(de)影響。渦輪流量(liàng)傳感器(qì)的測量(liàng)誤差就有(yǒu)可能從線性度δ=1.0%變爲(wèi)重複性eri=0.01%。即渦輪流量傳(chuán)感器的(de)制造(zào)工藝不變(biàn)、遵循現行的計(jì)量檢定(dìng)規程、使(shǐ)用現有的(de)檢定(dìng)數據(jù)，隻(zhī)是對檢定數(shù)據的使用(yòng)方法(fǎ)稍加改變(biàn)就有(yǒu)可能成百(bǎi)倍地(dì)提高測量精度。
渦(wō)輪流量(liàng)傳感(gǎn)器輸(shū)出的脈沖信号頻率(lǜ)f=nxn(n是渦輪(lún)葉(yè)片數(shù)，n是渦(wō)輪(lún)的旋轉(zhuǎn)速度);流過渦輪流量(liàng)傳感器的(de)被測流(liú)體體積(jī)流量(liàng)q=sxu(s是(shì)流(liú)體的(de)流通截(jié)面(miàn)積，u流(liú)體介質(zhì)的(de)流速);渦輪(lún)流(liú)量(liàng)
輪流(liú)量(liàng)傳感(gǎn)器(qì)的儀(yí)表系數k與q的關系近(jìn)似線性的(de)單調函數(見圖(tú)2)。因此，在對檢定(dìng)結果(guǒ)進行處理(lǐ)時，直接将各檢(jiǎn)定點的檢定結(jié)果以fi、ki的(de)形式存(cún)入渦(wō)輪流量計(jì)的(de)數值運算部(bù)分，不必對其儀(yí)表系數取平均(jun1)值。在(zài)使用渦輪流量(liàng)傳感器進(jìn)行流量測量時(shí)，根據渦輪流量(liàng)傳感(gǎn)器的(de)信号(hào)頻率(lǜ)f，即(jí)可(kě)在以(yǐ)上檢定結果中(zhōng)檢(jiǎn)索(suǒ)各f,值，找出(chū)滿足f,≤f≤f的fi、fi+1(i=1,2,.，.n-1)，n是該渦輪流量傳感器(qì)的流量檢定點數;若(ruò)信号(hào)頻率(lǜ)f=fi或f=fi+1，則相(xiàng)應(yīng)的ki或(huò)k.i+1即爲所需的儀表系數(shù);若(ruò)信号(hào)頻率(lǜ)fi<f<fi+1，即所測得的信号(hào)頻(pín)率不(bú)正(zhèng)好在檢測頻(pín)率點上，此(cǐ)時的(de)儀表(biǎo)系數k可以(yǐ)用線性(xìng)插值公式(7)來計算:
這種計算(suàn)方法的設(shè)計思路(lù)是在檢定頻率(lǜ)點(diǎn)上直接用檢(jiǎn)定點的(de)檢定儀表系數(shù)，其誤差(chà)就是該(gāi)點的重複性誤(wù)差δg;在檢定頻率(lǜ)點之間就(jiù)采用相鄰兩個檢定(dìng)點(diǎn)的檢定(dìng)儀表系數(shù)k、ki+1的線性差值得到該(gāi)點的儀表系(xì)數k，由此(cǐ)帶來(lái)的(de)最(zuì)大測(cè)量(liàng)誤差的極限(xiàn)值爲(wèi)k、ki+1之間(jiān)的非線性(xìng)誤差(chà)δ?max。因爲(wèi)各計(jì)量(liàng)檢(jiǎn)定點是按(àn)照鑒定規程(jjg198-94)确(què)定(dìng)的，所以(yǐ)各檢(jiǎn)定點的非(fēi)線性誤差δ?max與全(quán)量程(chéng)非線性誤(wù)差δ之(zhī)間應(yīng)滿足δ?max=δ/n.也(yě)就(jiù)是說(shuō)使用(yòng)這種計算方法得到的(de)測量結(jié)果其誤差值隻有采(cǎi)用平均儀(yí)表(biǎo)系數時(shí)1/n由于(yú)渦輪流量傳感器的(de)儀表系數(shù)k與流量(liàng)q之間當q≥q。時基(jī)本呈線性(xìng)關系，所以用線(xiàn)性插(chā)值法(fǎ)得到(dào)的實(shí)際(jì)的(de)測量(liàng)誤差8'更(gèng)接近重(zhòng)複性(xìng)誤(wù)差er而遠(yuǎn)小于非線性誤(wù)差δ?max，即δ'≈en<er<δ?max。
這種計算(suàn)方法與平均儀表系數(shù)方法的(de)區别(bié)在于渦輪(lún)流量計的數據(jù)存儲區中存放(fàng)的是(shì)n組實(shí)際檢定結果而(ér)不是(shì)一個(gè)平(píng)均儀表(biǎo)系數`k;使用(yòng)流量(liàng)計進行流(liú)量測量時，根據(jù)測得(dé)的頻(pín)率(lǜ)值f找到(dào)與之(zhī)相鄰的一(yī)對檢(jiǎn)定頻率點(diǎn)(fi,fi+1)及對(duì)應的一對檢定(dìng)儀表系數(ki，ki+1),不是簡單地用測得的頻率值f除(chú)以(yǐ)平均(jun1)儀表(biǎo)系數`k就得到了(le)當前流量(liàng)值;根(gēn)據(fi,fi+1).(ki，ki+1)，先用(yòng)公式(7)計(jì)算出(chū)對應信号(hào)頻率f的儀表系(xì)數k,然後用(yòng)該頻(pín)率值(zhí)f除以計算(suàn)得到(dào)的儀(yí)表系數k得(dé)到(dào)當前流(liú)量(liàng)q。這種(zhǒng)方法可(kě)稱之爲“檢定系數折(shé)線法(fǎ)"。這種(zhǒng)使用(yòng)方(fāng)法看似(sì)比用(yòng)平均儀表(biǎo)系(xì)數繁瑣，但在(zài)目前廣泛采用的微(wēi)機化儀表(biǎo)中非常容易實(shí)現;采用此法在(zài)可編程控制器(qì)(plc)以及計算機檢(jiǎn)測、控制系統中進行流量測量(liàng)，可以在确(què)定的(de)量程範圍内提(tí)高渦輪(lún)流量傳感器(qì)的測量精(jīng)度或者在(zài)确保(bǎo)精确(què)測(cè)量的前(qián)提下(xià)擴大測量(liàng)範圍。
4實驗(yàn)數據(jù)分析
被(bèi)檢(jiǎn)儀表:公稱通徑分别(bié)爲10mm和(hé)15mm的渦(wō)輪流(liú)量(liàng)傳感(gǎn)器各一(yī)台;檢定裝置:靜(jìng)态稱重法标準水流(liú)量檢(jiǎn)定裝置，系統精度+0.2%。分(fèn)别采(cǎi)用常規的平均儀表(biǎo)系數(shù)法和(hé)檢定系數(shù)折線(xiàn)法進(jìn)行标(biāo).定，并與作爲标(biāo)準的靜(jìng)态(tài)稱重(zhòng)法的檢定結果進行(háng)比對(duì)，結果(guǒ)見表1.表2。
從表1可(kě)見，在相同的量(liàng)程(chéng)範(fàn)圍(0.32m3/h~1.10m3/h)内(nèi)，使用(yòng)常規平均(jun1)儀(yí)表系數法的(de)最大(dà)非線性誤差爲(wèi)0.2493%，而使(shǐ)用(yòng)檢(jiǎn)定系(xì)數(shù)折線(xiàn)法的最(zuì)大誤差(chà)隻(zhī)有0.0569%，誤(wù)差堿少了4倍多(duō);表2顯示(shì)，使用常規平均儀表系(xì)數法(fǎ)的最大非(fēi)線性誤差爲0.7646%，在(zài)相同的量(liàng)程範圍(0.5m3/h~5.0m'/h)内，檢(jiǎn)定系數折線法的(de)最大(dà)誤差隻有0.1566%，減少(shǎo)了近5倍。顯然，在(zài)同樣的測(cè)量精(jīng)度水(shuǐ)平(píng)(如對10mm渦(wō)輪取(qǔ)0.2級、對15mm渦輪取0.5級)下，采(cǎi)用檢(jiǎn)定系數修正法渦輪流量(liàng)傳感(gǎn)器的(de)測量範圍比使用常規的平均(jun1)儀表系數(shù)法有了明顯(xiǎn)的擴大(dà)。
以上内容(róng)源于網絡，如有(yǒu)侵權(quán)聯(lián)系即删(shān)除(chú)!
