摘要:二甲苯流量計(jì)是應(yīng)用廣泛的流量計(jì)量儀表。它的結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、壓力損失小。特別是其良好的重復(fù)性、穩(wěn)定性倍受用戶的青睞。但是長期以來，由于其非線性特性的存在，使其流量測量范圍受到很大制約。通過對二甲苯流量計(jì)輸出脈沖信號特性的研究和分析，提出了一種擴(kuò)大二甲苯流量計(jì)量程范圍的方法，這種方法簡單易行、行之有效并可應(yīng)用于其他脈沖頻率輸出的傳感器中去。
1 渦輪流量傳感器的工作原理
渦輪流量傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示，屬于速度式流量傳感器。渦輪置于流體通道中，隨著流體的流動(dòng)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，設(shè)渦輪的轉(zhuǎn)速為n、流過渦輪的流體速度為u,則n與u成正比;流體通道的流通截面.積s是已知的常數(shù)，所以，流過渦輪流量傳感器的流體體積流量q為:
測量流體速度u通常是利用電磁感應(yīng)原理將與流體速度成正比的渦輪轉(zhuǎn)速n變成脈沖頻率f:
f=nxn(2)
公式(2)中，n是渦輪流量傳感器的葉片數(shù)，n是葉輪的旋轉(zhuǎn)速度。渦輪流量傳感器一旦選定，其葉片數(shù)n即為常數(shù)，所以信號頻率f與轉(zhuǎn)速n呈線性關(guān)系;由于葉輪的轉(zhuǎn)速n正比于流體的流速u,對于截面積s恒定的流通管路，由公式(1)可見，流體速度u與流量q之間也呈線性關(guān)系。所以，電脈沖信號頻率f也就正比于流量q。在使用渦輪流量傳感器時(shí)，只要測量出它的輸出電脈沖信號頻率f，就可以計(jì)算出相應(yīng)的體積流量q。
雖然電脈沖信號頻率f與體積流量q是正比關(guān)系，但是其比值卻不是常數(shù)。其原因是流體的摩擦阻力、粘滯阻力、磁電轉(zhuǎn)換器的電磁阻力以及渦輪軸與軸承之間的機(jī)械摩擦阻力等都與流體的流動(dòng)速度有關(guān)。可以用
來表達(dá)各參數(shù)間的關(guān)系。
式中，m是渦輪傳感器輸出的電脈沖數(shù)，v是流過渦輪傳感器的流體體積，即`k為通過單位流體流量渦輪流量傳感器發(fā)出的電脈沖頻率或單位體積流體渦輪流量傳感器發(fā)出的電脈沖數(shù)，`k稱為渦輪流量傳感器的平均儀表系數(shù)。圖2表示了`k與q之間的關(guān)系。以往常規(guī)使用方法是在渦輪流量傳感器的測量范圍qmin一qmax內(nèi)，測得各流量檢定點(diǎn)的儀表系數(shù)ki并將各kt取平均值得到`k，把`k作為該傳感器的平均儀表系數(shù)。進(jìn)行流量測量時(shí)，測得渦輪流量傳感器發(fā)出的電脈沖頻率f，即可由
得到相應(yīng)的流量q值，從而完成流量測量任務(wù)。
2 渦輪流量傳感器的測量范圍
圖2顯示測量出電脈沖信號頻率f用平均儀表系數(shù)`k計(jì)算得到的q值，在qmin~qmax范圍內(nèi)的相對誤差為:
在qqmax，即在測量范圍之外誤差將超過δmax。這就是說雖然渦輪流量傳感器具有很好的重復(fù)性，但是由于電脈沖信號頻率f與體積流量q之間是非線性的，按照常規(guī)的平均儀表系數(shù)`k的計(jì)算方法，對于一定的誤差限士a，由于非線性誤差的存在使得渦輪流量傳感器的工作范圍只能限定在qmin~qmax之內(nèi)。
對于重復(fù)性很好而線性度較差的渦輪流量傳感器，要擴(kuò)大其測量范圍或減小測量誤差，研究的核心問題是設(shè)計(jì)一-種便捷的使用方法，按照行鑒定規(guī)程利用原有檢定數(shù)據(jù)，使渦輪流量傳感器在具有很小重復(fù)性誤差的流量范圍內(nèi)，都能得到很準(zhǔn)確測量效果。
3 渦輪流量傳感器的常規(guī)使用方法
像其它速度式流量計(jì)一樣，渦輪流量傳感器出廠時(shí)要按照渦輪流量傳感器鑒定規(guī)程(jjg198-94)的規(guī)定進(jìn)行計(jì)量性能檢定。傳感器的量程比a
按照公式(5)計(jì)算得到非線性誤差δ≤1.0%,對于量程比a=10的渦輪流量傳感器，很難實(shí)現(xiàn)。即采用平均儀表系數(shù)`k計(jì)算流量的計(jì)量準(zhǔn)確度達(dá)到1.0級水平是一件很難是達(dá)到的指標(biāo);而實(shí)際檢定數(shù)據(jù)顯示，各流量檢定點(diǎn)qi上的儀表系數(shù)ki的重復(fù)性誤差eri基本都能達(dá)到0.1%甚至0.01%范圍之內(nèi)。eri由公式(6)計(jì)算得到。
渦輪流量傳感器的重復(fù)性誤差er=enmax
通常情況下，渦輪流量傳感器的量程比a=10、非線性誤差δ≥1.0%而重復(fù)性誤差er≤0.01。如果在使用渦輪流量傳感器進(jìn)行流量測量時(shí)不對儀表系.數(shù)取平均值，即不用平均儀表系數(shù)`k而是直接使用各流量檢定點(diǎn)的檢定儀表系數(shù)ki，就有可能避免非線性誤差對流量測量的影響。渦輪流量傳感器的測量誤差就有可能從線性度δ=1.0%變?yōu)橹貜?fù)性eri=0.01%。即渦輪流量傳感器的制造工藝不變、遵循現(xiàn)行的計(jì)量檢定規(guī)程、使用現(xiàn)有的檢定數(shù)據(jù)，只是對檢定數(shù)據(jù)的使用方法稍加改變就有可能成百倍地提高測量準(zhǔn)確度。
渦輪流量傳感器輸出的脈沖信號頻率f=nxn(n是渦輪葉片數(shù)，n是渦輪的旋轉(zhuǎn)速度);流過渦輪流量傳感器的被測流體體積流量q=sxu(s是流體的流通截面積，u流體介質(zhì)的流速);渦輪流量
輪流量傳感器的儀表系數(shù)k與q的關(guān)系近似線性的單調(diào)函數(shù)(見圖2)。因此，在對檢定結(jié)果進(jìn)行處理時(shí)，直接將各檢定點(diǎn)的檢定結(jié)果以fi、ki的形式存入二甲苯流量計(jì)的數(shù)值運(yùn)算部分，不必對其儀表系數(shù)取平均值。在使用渦輪流量傳感器進(jìn)行流量測量時(shí)，根據(jù)渦輪流量傳感器的信號頻率f，即可在以上檢定結(jié)果中檢索各f,值，找出滿足f,≤f≤f的fi、fi+1(i=1,2,.，.n-1)，n是該渦輪流量傳感器的流量檢定點(diǎn)數(shù);若信號頻率f=fi或f=fi+1，則相應(yīng)的ki或k.i+1即為所需的儀表系數(shù);若信號頻率fi
這種計(jì)算方法的設(shè)計(jì)思路是在檢定頻率點(diǎn)上直接用檢定點(diǎn)的檢定儀表系數(shù)，其誤差就是該點(diǎn)的重復(fù)性誤差δg;在檢定頻率點(diǎn)之間就采用相鄰兩個(gè)檢定點(diǎn)的檢定儀表系數(shù)k、ki+1的線性差值得到該點(diǎn)的儀表系數(shù)k，由此帶來的測量誤差的極限值為k、ki+1之間的非線性誤差δ?max。因?yàn)楦饔?jì)量檢定點(diǎn)是按照鑒定規(guī)程(jjg198-94)確定的，所以各檢定點(diǎn)的非線性誤差δ?max與全量程非線性誤差δ之間應(yīng)滿足δ?max=δ/n.也就是說使用這種計(jì)算方法得到的測量結(jié)果其誤差值只有采用平均儀表系數(shù)時(shí)1/n由于渦輪流量傳感器的儀表系數(shù)k與流量q之間當(dāng)q≥q。時(shí)基本呈線性關(guān)系，所以用線性插值法得到的實(shí)際的測量誤差8'更接近重復(fù)性誤差er而遠(yuǎn)小于非線性誤差δ?max，即δ'≈en
這種計(jì)算方法與平均儀表系數(shù)方法的區(qū)別在于二甲苯流量計(jì)的數(shù)據(jù)存儲區(qū)中存放的是n組實(shí)際檢定結(jié)果而不是一個(gè)平均儀表系數(shù)`k;使用流量計(jì)進(jìn)行流量測量時(shí)，根據(jù)測得的頻率值f找到與之相鄰的一對檢定頻率點(diǎn)(fi,fi+1)及對應(yīng)的一對檢定儀表系數(shù)(ki，ki+1),不是簡單地用測得的頻率值f除以平均儀表系數(shù)`k就得到了當(dāng)前流量值;根據(jù)(fi,fi+1).(ki，ki+1)，先用公式(7)計(jì)算出對應(yīng)信號頻率f的儀表系數(shù)k,然后用該頻率值f除以計(jì)算得到的儀表系數(shù)k得到當(dāng)前流量q。這種方法可稱之為“檢定系數(shù)折線法。這種使用方法看似比用平均儀表系數(shù)繁瑣，但在目前廣泛采用的微機(jī)化儀表中非常容易實(shí)現(xiàn);采用此法在可編程控制器(plc)以及計(jì)算機(jī)檢測、控制系統(tǒng)中進(jìn)行流量測量，可以在確定的量程范圍內(nèi)提高渦輪流量傳感器的測量精度或者在確保精確測量的前提下擴(kuò)大測量范圍。
4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
被檢儀表:公稱通徑分別為10mm和15mm的渦輪流量傳感器各一臺;檢定裝置:靜態(tài)稱重法標(biāo)準(zhǔn)水流量檢定裝置，系統(tǒng)精度+0.2%。分別采用常規(guī)的平均儀表系數(shù)法和檢定系數(shù)折線法進(jìn)行標(biāo).定，并與作為標(biāo)準(zhǔn)的靜態(tài)稱重法的檢定結(jié)果進(jìn)行比對，結(jié)果見表1.表2。
從表1可見，在相同的量程范圍(0.32m3/h~1.10m3/h)內(nèi)，使用常規(guī)平均儀表系數(shù)法的非線性誤差為0.2493%，而使用檢定系數(shù)折線法的誤差只有0.0569%，誤差堿少了4倍多;表2顯示，使用常規(guī)平均儀表系數(shù)法的非線性誤差為0.7646%，在相同的量程范圍(0.5m3/h~5.0m'/h)內(nèi)，檢定系數(shù)折線法的誤差只有0.1566%，減少了近5倍。顯然，在同樣的測量準(zhǔn)確度水平(如對10mm渦輪取0.2級、對15mm渦輪取0.5級)下，采用檢定系數(shù)修正法渦輪流量傳感器的測量范圍比使用常規(guī)的平均儀表系數(shù)法有了明顯的擴(kuò)大。