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用数据处理方法扩大涡轮流量计测量范围的研究
发布日期:2020/12/25 18:20:29
1.涡轮流量传感器的特点
涡轮流量传感器是一种速度式流量传感器,其结构如图1所示。
置于流体通道中的涡轮在流体动能的驱动下产生旋转,其转速n与驱动其旋转的流体速度u成正比。由于涡轮叶片所在的流体通道的流通截面积是已知的常数S,若以Q表示流过涡轮流量传感器的流体体积流量,则有:
Q=Sxu       (1)
通常,对流速u的测量是通过电磁感应原理将涡轮的旋转速度n转换成电脉冲频率F来实现的:
F=N×n        (2)
式中N是涡轮的叶片数。
对设计好的涡轮流量传感器,N为常数。因此,F与n呈线性关系;n正比于u,由(1)式可见,u与Q之间呈线性关系;所以,F也就正比于流量Q。在使用涡轮流量传感器时,只要测量出它的输出电脉冲频率F,就可以计算出对应的体积流量Q。虽然F与Q成正比,但是其比值却不是常数。由理论分析及实验结果得到的F一Q曲线形状如图2所示。
若令K=F/K,即通过单位体积流体涡轮流量传感器发出的电脉冲数,称为涡轮流量传感器的“仪表系数”,则K与Q之间的关系如图3所示。
涡轮流量传感器常规的使用方法是在测量范围Qmin~Qmax内,测得K,并把K作为该传感器的平均仪表系数,只要得到涡轮流量传感器发出的电脉冲频率F,即可由Q=F/K得到相应的流量Q值,从而完成流量测量任务。
 
2.涡轮流量计传感器的量程范围
由图3可见,测量出F,用K计算得到的Q值,在Qmim~Qmax范围内的ZUI大相对误差为:
δmax=±△/K×100%          (3)
当Q<Qmin或Q>Qmax、时,误差将超过δmax。因此,虽然涡轮流量传感器具有很好的重复性,但是由于F与Q之间非线性的存在,当设定了误差限±△之后,若采用平均仪表系数K来计算,就只能工作在Qmin~Qmax范围内,这样就大大地限制了涡轮流量传感器本身的使用范围。
扩大涡轮流量计传感器的量程范围、减小涡轮流量传感器的测量误差ZUI根本的方法是在传感器的结构设计上保证其仪表系数K在Q>Q0的区间内为一常数,至少在Qmin~Qmax、区间内为一常数,并希望比值越大越好。然而,这一愿望却很难实现,因为它涉及到结构设计、加工精度以及装配工艺水平等等系列因素。对于线性特性比较差而重复性很好的涡轮流量传感器,找到一种方便的使用方法,使其在具有重复性的流量范围内,都能表现出很高的测量准确性,从而ZUI大限度地扩大涡轮流量传感器的准确测量范围,这是本文研究的核心问题。
 
3.涡轮流量传感器的使用方法
涡轮流量传感器出厂时都要进行计量性能检定,按照涡轮流量传感器检定规程(JJG1037-2008)的规定,当传感器的范围度a=Qmax/Qmin确定之后,传感器的各流量检定点Qi;也就随之确定了。在Qmin~Qmax、范围内ZUI少有n个流量检定点,在这些流量检定点Qi(i=1~n)上得到各自的仪表系数Ki。涡轮流量传感器的平均仪表系数由(4)式计算得到:
K=(Ki)max+(Ki)min/2          (4)
涡轮流量传感器的线性度由(5)式计算得到
δ=(Ki)max-(Ki)min/(Ki)max+(Ki)min         (5)
对于范围度a=10的涡轮流量传感器,按(5)式计算得到δ≤1.0%(即保证涡轮流量传感器采用平均仪表系数K来计算流量的计量准确度达到1.0级水平)已比较困难,而各流量检定点Qi上的仪表系数Ki的重复性误差Eri却很容易达到0.1%甚至0.01%范围之内。Eri由(6)式计算得到:
Eri=√∑(Kij-Ki)²/(n-1)Ki²X100%          (6)
式中:Ki=1/m∑Kij:,m是该流量点的检定次数。
涡轮流量传感器的重复性误差Er= Erimax
设想,对一台范围度α=10、δ≥1.0%而δR≤0.01的涡轮流量传感器,若能在其各流量检定点使用其该点的检定仪表系数Ki,而不是平均仪表系数K,那么,用这台涡轮流量传感器在该测量点的测量误差就能从1.0%(线性度δ量级)变为0.01%(重复性Eri量级)。即用现有的涡轮流量传感器制造工艺、现行的检定方法和遵照现行的计量检定规程、只是改变一下传感器的使用方法,准确地说,只是改变下对涡轮流量传感器检定数据的使用方法就能使测量准确度提高百倍!然而,如何实现这一设想?实现这一设想时对检定点之外的数据如何处理?前已述及,涡轮流量传感器输出的电脉冲信号频率F=NXn;流过涡轮流量传感器的被测流体的体积流量Q=S×u;涡轮流量传感器在各自检定点的仪表系数为Ki=Fi/Qi并且各K,的重复性误差Eri<δ。在涡轮流量传感器的使用过程中,是通过Qi=Fi/Ki的关系求得Qi的,即测量出涡轮流量传感器输出的电脉冲频率F,通过Q=F/K计算岀流经涡轮流量传感器流体
的瞬时流量。由图3可见,涡轮流量传感器的仪表系数K随流量Q的变化规律当Q>Q0之后是近似线性的单调函数。因此,在使用涡轮流量传感器的检定结果时,可不对其各点的仪表系数取平均值,而只需将各检定点的检定结果以Fi、Ki的形式存入涡轮流量计的数值运算部分。在使用涡轮流量传感器进行流量测量时,只要检测到涡轮流量传感器发出的信号频率F值,即可在以上检定结果的数据存放区检索各F,值,找出满足Fi≤F≤Fi+1的Fi、Fi+1(i=1,2,…,n-1)n是该涡轮流量传感器的流量检定点数;若信号频率F=Fi,或F=Fi+1,则相应的K;i或Ki+1即为所需的仪表系数;若信号频率Fi<F<Fi+1,(这是ZUI经常出现的情况),则相应的仪表系数K可由线性插值公式(7)计算得到:
K=Ki+Ki+1-Ki/Fi+1-Fi(F-Fi)         (7)
用这种计算方法得到的测量结果,其ZUI小测量误差是检定结果的重复性误差δR;ZUI大测量误差的极限值为Ki、Ki+1之间的非线性误差δmax:
δmax=δmax=Ki-ki+1/Ki-Ki+1          (8)
按照计量检定规程确定检定点,应能使δmax≈δ/n,即用这种计算方法得到的测量结果的误差值可以达到使用平均仪表系数法时的1/n;而由于图3所示的K与Q之间的关系曲线当Q≥Q0。时基本呈直线关系,所以实际的测量误差δmax十分接近δR而远小于δmax,即δ≈δR<<δmax。
这种使用方法称之为“定点系数修正法”。与常规使用方法的区别在于流量计的计算单元中存放的不是一个平均仪表系数K,而是n组检定结果;计算时不是简单地用测得的频率值F除以平均仪表系数K就得到了当前流量值,而须先根据测得的频率值F检索到与之相邻的一对频率点(Fi,Fi+1)及对应的一对仪表系数(Ki,Ki+1),进而由式7计算出当前流量点的仪表系数K;ZUI后再用测得的频率值F除以计算得到的仪表系数K才能得到当前流量值。这种使用方法在微机化仪表中实现可以说是轻而易举,ZUI常用的各种八位单片机均可胜任这种工作;而用在计算机检测、控制系统中的涡轮流量传感器采用此种计算方法计算流量,就是更为简单的事情了。“定点系数修正法”对扩大涡轮流量传感器的精确测量范围或在相同的测量范围内提高测量精度、减少硬件设备投入实现高效控制都具有非常明显的作用。

4.应用结果分析
在标准流量检定装置上,对两只口径为15mm、10mm涡轮流量传感器分别采用平均仪表系数法(常规使用方法)及定点系数修正法进行标定,并与静态称重法的检定结果(作为标准值)进行比对,结果见表1和表2
由表1可见,在相同的量程范围内(0.5m3/h~m3/h),常规使用方法的ZUI大非线性偏差为0.7646%,而定点系数修正法的ZUI大非线性误差只有0.1566%,误差减少了近5倍。从表2中也可得到类似结果。显然,在同样的测量准确度水平下(如0.1级),涡轮流量传感器的测量范围采用定点系数修正法比常规使用方法也明显地得到了扩大。
需要指出,定点系数修正法的误差与测量点的数量和位置的选取有关。如果测量点的数量与位置分布确定,对于不同的涡轮,其非线性误差减小的程度是不同的,甚至误差增大的可能性在理论上也是存在的。但可以通过增加测量点数量和改变其位置分布来达到预期的效果。大量实验数据表明,在不改变现有检定规程和工艺的条件下采用定点系数修正法,能够有效地达到提高涡轮流量计传感器的测量精度等级、扩大流量测量范围的目的。
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