摘要:渦(wo)輪流量(liang)計 是應(ying)用廣泛(fan)的流量(liang)計量儀(yi)表。它的(de)結構簡(jian)單、靈敏(min)度✉️高、壓(ya)力💞損失(shi)小。特别(bie)是其良(liang)好的重(zhong)複性、穩(wen)定性倍(bei)受🐉用戶(hu)的青✏️睐(lai)。但是長(zhang)期以來(lai)，由于其(qi)非線性(xing)特性的(de)存在，使(shi)其流量(liang)測量範(fan)圍受到(dao)很大制(zhi)約。通過(guo)對渦輪(lun)流量計(ji)輸出脈(mo)沖信号(hao)特性的(de)研究和(he)分析👉，提(ti)出了一(yi)種擴大(da)渦輪流(liu)量計量(liang)程範圍(wei)的方法(fa)，這🥰種方(fang)法簡單(dan)⚽易行、行(hang)之有效(xiao)并可應(ying)用于其(qi)他脈沖(chong)頻率輸(shu)出的傳(chuan)感器中(zhong)去。
1渦輪(lun)流量傳(chuan)感器的(de)工作原(yuan)理
　　渦輪(lun)流量傳(chuan)感器結(jie)構如圖(tu)1所示，屬(shu)于速度(du)式流量(liang)傳感器(qi)。渦輪置(zhi)于流體(ti)通道中(zhong)，随着流(liu)體的流(liu)動産生(sheng)旋轉，設(she)渦輪的(de)轉速爲(wei)n、流過渦(wo)輪的流(liu)體速度(du)爲u,則n與(yu)u成正比(bi);流體通(tong)道的流(liu)通截面(mian).積S是已(yi)知的常(chang)數，所以(yi)，流㊙️過渦(wo)輪流✨量(liang)傳感器(qi)的流體(ti)體積流(liu)量Q爲✂️:

　　測量(liang)流體速(su)度u通常(chang)是利用(yong)電磁感(gan)應原理(li)将與流(liu)❌體速👈度(du)成正🐉比(bi)的渦輪(lun)轉速n變(bian)成脈沖(chong)頻率F:
F=Nxn(2)
　　公(gong)式(2)中，N是(shi)渦輪流(liu)量傳感(gan)器的葉(ye)片數，n是(shi)葉輪的(de)旋轉速(su)🥰度。渦輪(lun)流量傳(chuan)感器一(yi)旦選定(ding)，其葉片(pian)數N即爲(wei)常數，所(suo)以信号(hao)頻率F與(yu)轉速n呈(cheng)線性關(guan)系;由于(yu)葉輪的(de)轉速n正(zheng)比于流(liu)體的流(liu)速u,對于(yu)截面積(ji)S恒定的(de)流🏃‍♂️通管(guan)路，由公(gong)式(1)可見(jian)♋，流體速(su)度u與流(liu)量Q之間(jian)也呈線(xian)性關系(xi)。所以🏒，電(dian)脈沖信(xin)号頻率(lü)F也就正(zheng)比于流(liu)量Q。在使(shi)用渦輪(lun)流量傳(chuan)感器時(shi)，隻要測(ce)量出它(ta)的輸🍉出(chu)電脈沖(chong)信号🐆頻(pin)率F，就可(ke)以計算(suan)出相應(ying)的體積(ji)流量Q。

　　雖(sui)然電脈(mo)沖信号(hao)頻率F與(yu)體積流(liu)量Q是正(zheng)比關系(xi)，但🧑🏾‍🤝‍🧑🏼是其(qi)比值卻(que)不是常(chang)數。其原(yuan)因是流(liu)體的摩(mo)擦阻力(li)、粘滞阻(zu)力、磁電(dian)🚶轉換器(qi)的電磁(ci)阻力以(yi)及渦輪(lun)軸與軸(zhou)承之間(jian)的機械(xie)摩擦阻(zu)力等都(dou)與流👨‍❤️‍👨體(ti)的流動(dong)速度有(you)關。可以(yi)用來表(biao)達各參(can)數間的(de)關系。
　　式(shi)中，M是渦(wo)輪傳感(gan)器輸出(chu)的電脈(mo)沖數，V是(shi)流過渦(wo)輪傳感(gan)器的流(liu)體體積(ji)，即`K爲通(tong)過單位(wei)流體流(liu)量渦輪(lun)流量傳(chuan)感🐅器發(fa)出的電(dian)脈沖頻(pin)率或單(dan)位體積(ji)流體渦(wo)輪流量(liang)傳感🏃🏻器(qi)發出的(de)電脈沖(chong)數，`K稱爲(wei)渦輪流(liu)量傳感(gan)器的平(ping)均儀表(biao)系數。圖(tu)2表示了(le)`K與Q之🐕間(jian)的關系(xi)☔。以往常(chang)規使用(yong)方法是(shi)在渦輪(lun)流量傳(chuan)感器的(de)測量☂️範(fan)圍Qmin一Qmax内(nei)，測得各(ge)流量檢(jian)定點的(de)儀表系(xi)數Ki并将(jiang)各Kt取平(ping)均值得(de)到`K，把`K作(zuo)爲該傳(chuan)感器的(de)平均儀(yi)表系數(shu)。進行流(liu)量測量(liang)時，測♊得(de)渦輪流(liu)量傳感(gan)器發出(chu)的電脈(mo)沖頻率(lü)F，即可由(you)得到相(xiang)應的流(liu)量Q值，從(cong)而完成(cheng)流量測(ce)量任務(wu)。
2渦輪流(liu)量傳感(gan)器的測(ce)量範圍(wei)
　　圖2顯示(shi)測量出(chu)電脈沖(chong)信号頻(pin)率F用平(ping)均儀表(biao)系數`K計(ji)算🈲得到(dao)的Q值，在(zai)Qmin~Qmax範圍内(nei)的最大(da)相對誤(wu)差爲:

　　在(zai)Q<Qmin或Q>Qmax，即在(zai)測量範(fan)圍之外(wai)誤差将(jiang)超過δmax。這(zhe)就是說(shuo)雖然渦(wo)輪流量(liang)傳‼️感器(qi)具有很(hen)好的重(zhong)複性，但(dan)是由于(yu)電脈沖(chong)信号頻(pin)率F與體(ti)積流量(liang)Q之間是(shi)非線性(xing)的，按照(zhao)常🈚規的(de)平均儀(yi)表系數(shu)`K的計算(suan)方法，對(dui)于一定(ding)的誤差(cha)限士A，由(you)于📐非線(xian)性誤差(cha)的存在(zai)使得渦(wo)輪流量(liang)傳感♌器(qi)的工作(zuo)範圍隻(zhi)能限定(ding)在Qmin~Qmax之内(nei)。
　　對于重(zhong)複性很(hen)好而線(xian)性度較(jiao)差的渦(wo)輪流量(liang)傳感器(qi)，要🌈擴🥰大(da)其測量(liang)範圍或(huo)減小測(ce)量誤差(cha)，研究的(de)核心問(wen)題是設(she)計💋一種(zhong)便捷的(de)使用方(fang)法，按照(zhao)行鑒定(ding)規程利(li)用原有(you)⚽檢定數(shu)據，使渦(wo)輪流量(liang)傳感器(qi)在具☀️有(you)很小重(zhong)複性誤(wu)差❓的流(liu)量範圍(wei)内，都能(neng)得到很(hen)準确測(ce)量效果(guo)📧。
3渦輪流(liu)量傳感(gan)器的常(chang)規使用(yong)方法
　　像(xiang)其它 速(su)度式流(liu)量計 一(yi)樣，渦輪(lun)流量傳(chuan)感器出(chu)廠時要(yao)按照渦(wo)輪流量(liang)傳感器(qi)鑒‼️定🤟規(gui)程(JJG198-94)的規(gui)定進行(hang)計量性(xing)能檢定(ding)。傳感器(qi)的量程(cheng)比a

　　按照(zhao)公式(5)計(ji)算得到(dao)非線性(xing)誤差δ≤1.0%,對(dui)于量程(cheng)比a=10的渦(wo)輪流量(liang)傳感器(qi)，很難實(shi)現。即采(cai)用平均(jun)儀表系(xi)數`K計算(suan)流🏃🏻‍♂️量的(de)計量精(jing)度達到(dao)1.0級水平(ping)是一件(jian)很難是(shi)達到的(de)指🈲标;而(er)實際檢(jian)定👌數據(ju)顯👨‍❤️‍👨示，各(ge)流💃量檢(jian)定點Qi上(shang)的儀表(biao)系數Ki的(de)重複⁉️性(xing)誤差Eri基(ji)本都能(neng)達到0.1%甚(shen)至0.01%範圍(wei)之内。Eri由(you)公式(6)計(ji)算得到(dao)。


渦輪流(liu)量傳感(gan)器的重(zhong)複性誤(wu)差Er=Enmax
　　通常(chang)情況下(xia)，渦輪流(liu)量傳感(gan)器的量(liang)程比a=10、非(fei)線性誤(wu)差δ≥1.0%而重(zhong)💋複性誤(wu)差Er≤0.01。如果(guo)在使用(yong)渦輪流(liu)量傳感(gan)器進行(hang)流🚶量測(ce)量時不(bu)對儀表(biao)系.數取(qu)平均值(zhi)，即不用(yong)平均儀(yi)表系數(shu)`K而是直(zhi)接使用(yong)各流量(liang)檢定點(dian)的檢定(ding)儀表系(xi)數🐕Ki，就有(you)可能避(bi)免非線(xian)㊙️性誤差(cha)對☔流量(liang)測量的(de)影響。渦(wo)輪流量(liang)傳感器(qi)的測量(liang)誤差就(jiu)有可能(neng)從線性(xing)度δ=1.0%變爲(wei)重複性(xing)Eri=0.01%。即渦輪(lun)流🚶量傳(chuan)感器的(de)制造工(gong)藝不變(bian)、遵循現(xian)行的計(ji)量檢定(ding)規程、使(shi)用現有(you)的檢定(ding)數據，隻(zhi)是對檢(jian)定數據(ju)的使用(yong)方法稍(shao)加改變(bian)就有可(ke)能成百(bai)倍地提(ti)高測量(liang)精度。
　　渦(wo)輪流量(liang)傳感器(qi)輸出的(de)脈沖信(xin)号頻率(lü)F=Nxn(N是渦輪(lun)葉㊙️片數(shu)，n是☂️渦輪(lun)的旋轉(zhuan)速度);流(liu)過渦輪(lun)流量傳(chuan)感器的(de)被測流(liu)體體積(ji)流量Q=Sxu(S是(shi)流體的(de)流通截(jie)面積，u流(liu)體介質(zhi)的流🐕速(su));渦輪流(liu)量

　　輪流(liu)量傳感(gan)器的儀(yi)表系數(shu)K與Q的關(guan)系近似(si)線性的(de)單調🤩函(han)數(見✍️圖(tu)2)。因此，在(zai)對檢定(ding)結果進(jin)行處理(li)時，直📞接(jie)将各檢(jian)🌈定點的(de)檢定結(jie)果以Fi、Ki的(de)形式存(cun)入渦輪(lun)流量計(ji)的數值(zhi)運算部(bu)分，不必(bi)對其儀(yi)表🐉系數(shu)取平均(jun)👌值。在使(shi)用渦輪(lun)流量傳(chuan)感器進(jin)🐇行流量(liang)測量時(shi)，根據渦(wo)輪流量(liang)傳感器(qi)的信号(hao)頻率F，即(ji)可在以(yi)上檢定(ding)結果中(zhong)檢索各(ge)F,值，找出(chu)滿足F,≤F≤F的(de)Fi、Fi+1(i=1,2,.，.n-1)，n是🏒該渦(wo)輪流量(liang)傳感器(qi)🐪的流量(liang)檢♈定點(dian)數;若信(xin)号🌏頻率(lü)F=Fi或F=Fi+1，則相(xiang)應的Ki或(huo)K.i+1即爲所(suo)需的儀(yi)表系數(shu);若信号(hao)頻率Fi<F<Fi+1，即(ji)所測得(de)的信号(hao)頻率不(bu)正好在(zai)檢測頻(pin)率點上(shang)，此時的(de)儀表系(xi)數K可以(yi)用線性(xing)插值公(gong)式(7)來計(ji)算:

　　這種(zhong)計算方(fang)法的設(she)計思路(lu)是在檢(jian)定頻率(lü)點上直(zhi)👣接用檢(jian)定點🌂的(de)檢定儀(yi)表系數(shu)，其誤差(cha)就是該(gai)點的重(zhong)複性誤(wu)差δg;在檢(jian)定頻率(lü)點之間(jian)就采用(yong)相鄰兩(liang)個檢定(ding)點的檢(jian)定儀表(biao)系數K、Ki+1的(de)線性差(cha)值得到(dao)該點的(de)儀表系(xi)數K，由此(ci)帶來的(de)最大測(ce)量誤差(cha)的🈲極限(xian)值爲K、Ki+1之(zhi)間的非(fei)線性誤(wu)差δ?max。因爲(wei)各計量(liang)檢定🐅點(dian)是按照(zhao)鑒💋定規(gui)程(JJG198-94)确定(ding)的，所以(yi)各檢定(ding)點的非(fei)線性誤(wu)差δ?max與全(quan)量程非(fei)線性誤(wu)差δ之間(jian)應滿足(zu)δ?max=δ/n.也就是(shi)說使用(yong)這種計(ji)算方法(fa)得到的(de)測量結(jie)果其誤(wu)差值🔴隻(zhi)⛹🏻‍♀️有采用(yong)平均儀(yi)表系數(shu)時1/n由于(yu)渦輪流(liu)量傳感(gan)器的儀(yi)表系數(shu)🥰K與流量(liang)Q之間當(dang)Q≥Q。時🌈基本(ben)呈線性(xing)關系，所(suo)以用線(xian)性插值(zhi)法得到(dao)的實際(ji)的測量(liang)誤差8'更(geng)接近重(zhong)複性誤(wu)差🙇‍♀️ER而遠(yuan)小于非(fei)線性誤(wu)差δ?max，即δ'≈En<ER<δ?max。
　　這(zhe)種計算(suan)方法與(yu)平均儀(yi)表系數(shu)方法的(de)區别在(zai)于渦輪(lun)流量計(ji)的數據(ju)存儲區(qu)中存放(fang)的是n組(zu)實際檢(jian)定結果(guo)而不是(shi)一個平(ping)均儀表(biao)系數`K;使(shi)用流量(liang)計進行(hang)流量測(ce)量時，根(gen)據測得(de)的頻率(lü)值F找到(dao)與之相(xiang)鄰的一(yi)對檢定(ding)頻率點(dian)(Fi,Fi+1)及對應(ying)的一對(dui)檢定儀(yi)表系數(shu)(Ki，Ki+1),不是簡(jian)單地用(yong)測得的(de)頻率值(zhi)F除以平(ping)均儀表(biao)系數💔`K就(jiu)得到了(le)當前流(liu)量值;根(gen)據(Fi,Fi+1).(Ki，Ki+1)，先用(yong)公式(7)計(ji)算出對(dui)應信号(hao)頻率F的(de)儀表系(xi)數K,然後(hou)用該頻(pin)率值F除(chu)以計算(suan)得到的(de)儀表系(xi)數K得到(dao)當前流(liu)量Q。這種(zhong)方法可(ke)稱之🔞爲(wei)“檢定系(xi)數折線(xian)法"。這種(zhong)使用方(fang)法看似(si)比用平(ping)均儀表(biao)系數繁(fan)瑣，但在(zai)目前廣(guang)泛采用(yong)的微機(ji)化儀表(biao)中非常(chang)容易🧑🏽‍🤝‍🧑🏻實(shi)現;采用(yong)此法在(zai)可編程(cheng)控制器(qi)(PLC)以及計(ji)算機檢(jian)測、控制(zhi)系統中(zhong)進行流(liu)量測量(liang)，可以在(zai)确定的(de)量程🏃🏻範(fan)圍内提(ti)高渦輪(lun)流量傳(chuan)感器的(de)測量精(jing)♉度或者(zhe)在确保(bao)精确測(ce)量的前(qian)提下擴(kuo)大測量(liang)範圍📐。
4實(shi)驗數據(ju)分析
　　被(bei)檢儀表(biao):公稱通(tong)徑分别(bie)爲10mm和15mm的(de)渦輪流(liu)量傳感(gan)器各一(yi)台;檢定(ding)⭐裝置:靜(jing)态稱重(zhong)法标準(zhun)水流量(liang)檢定裝(zhuang)置，系統(tong)精🈲度+0.2%。分(fen)别采用(yong)常規的(de)平均儀(yi)表系數(shu)法和檢(jian)定系💘數(shu)折線🔴法(fa)進行🏃‍♀️标(biao).定，并與(yu)作爲标(biao)準的靜(jing)态稱重(zhong)法的檢(jian)定結果(guo)進行比(bi)對，結果(guo)見表🔞1.表(biao)2。

　　從表1可(ke)見，在相(xiang)同的量(liang)程範圍(wei)(0.32m3/h~1.10m3/h)内，使用(yong)常規平(ping)均儀表(biao)👌系數法(fa)的最大(da)非線性(xing)誤差爲(wei)0.2493%，而使用(yong)檢定系(xi)數折線(xian)☎️法的最(zui)大誤差(cha)👨‍❤️‍👨隻有0.0569%，誤(wu)差堿少(shao)了4倍多(duo);表2顯示(shi)，使用常(chang)規平均(jun)儀表系(xi)數法的(de)最大非(fei)線性誤(wu)差爲0.7646%，在(zai)相同的(de)量程範(fan)圍(0.5m3/h~5.0m'/h)内，檢(jian)定系數(shu)折線法(fa)的最大(da)誤差隻(zhi)有0.1566%，減少(shao)了近5倍(bei)。顯然💃，在(zai)同樣的(de)測✊量精(jing)度水平(ping)(如對10mm渦(wo)輪取0.2級(ji)🈲、對15mm渦輪(lun)取0.5級)下(xia)，采用檢(jian)定系數(shu)修正🚶‍♀️法(fa)渦輪流(liu)量傳感(gan)器的測(ce)量範圍(wei)比使用(yong)常規的(de)平均儀(yi)表系數(shu)法有了(le)明顯的(de)擴大。

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