二甲苯流量計輸出信號的研究與應用
點擊次數：1905 發（fā）布時間：2021-01-03 08:35:26
摘要:二甲苯流量計（jì）是應用廣泛的流量計量儀表。它的結構（gòu）簡單（dān）、靈（líng）敏度高、壓力損失小。特別是其良好的重複性、穩定性倍受用戶的青睞。但是長期以來，由（yóu）於其非線性特性的存在，使其流量測量範圍受到（dào）很大製約。通過對二甲苯流量計輸出脈衝信號特性的研究和分析，提出了一種擴大二甲苯流量計量程範圍的方法，這（zhè）種方法簡單（dān）易行、行之有效並可（kě）應用於（yú）其他脈衝頻率輸出的傳感器中（zhōng）去。
1 渦輪流量傳（chuán）感（gǎn）器的工作原理（lǐ）
渦輪流量傳感器結構如圖1所示，屬（shǔ）於速度式流量傳（chuán）感器（qì）。渦輪置於流體通道中，隨著流體的流動產生旋轉，設渦輪的轉速為n、流過渦輪的（de）流體速度為u,則n與u成正比;流體通道的流通截麵（miàn）.積S是已知的常數，所以，流過渦輪流量傳感器的流體（tǐ）體積流量Q為:
測量流體（tǐ）速度u通常是利用電磁感應原理將與流體速度成正比的渦（wō）輪轉速n變成脈衝頻率F:
F=Nxn(2)
公式(2)中，N是渦（wō）輪流量傳感器（qì）的葉片數（shù），n是葉輪的旋（xuán）轉速度。渦輪（lún）流量傳感器一旦選（xuǎn）定，其葉片數N即為常數，所（suǒ）以信號頻率F與轉（zhuǎn）速n呈線性關係;由於葉輪的轉速n正比（bǐ）於（yú）流體的流速u,對於截麵積S恒（héng）定的（de）流通管路，由公式(1)可見，流體（tǐ）速度u與流（liú）量Q之間也呈線性關係。所以，電脈衝信號（hào）頻率F也就正（zhèng）比（bǐ）於流（liú）量Q。在使（shǐ）用渦輪流量傳（chuán）感器時，隻要測量出它的輸出電脈衝信號頻率F，就可以計算出相應的（de）體積流量Q。
雖然電（diàn）脈衝信號頻率F與體積流（liú）量（liàng）Q是正比關（guān）係，但是其比值卻不是常數。其原因是流體的摩擦阻力（lì）、粘滯阻力、磁電轉換（huàn）器的電磁阻力以及渦（wō）輪（lún）軸與軸（zhóu）承之間的機械摩擦阻力等都（dōu）與流體（tǐ）的流動速度有關。可以用
來表達各參數間的關係。
式中，M是渦輪傳感器輸（shū）出的（de）電脈衝數，V是流過（guò）渦輪傳（chuán）感器的流（liú）體體積，即`K為通過單位（wèi）流體流量渦（wō）輪流量傳感器發（fā）出的電脈衝頻率或單位體積流體渦（wō）輪流量傳感器發出的電脈衝數，`K稱（chēng）為渦輪流量傳（chuán）感器的平均儀表係數。圖2表（biǎo）示了（le）`K與Q之間的關係。以往常規使用方法是在渦輪流量傳感器的測量範圍Qmin一Qmax內，測得各流量檢定點的儀表係數Ki並將各Kt取平均值得到`K，把`K作為該（gāi）傳（chuán）感器的平均儀表（biǎo）係數。進行流量（liàng）測（cè）量時，測得渦輪流量傳感（gǎn）器發出的電脈衝頻率F，即可由
得到相應的流量Q值，從而完成流量測（cè）量（liàng）任務。
2 渦輪流量（liàng）傳感器的測量範圍（wéi）
圖2顯示測量出電脈衝信號頻率F用平均儀表係數`K計算得到的Q值，在Qmin~Qmax範圍內的*大（dà）相對（duì）誤差為（wéi）:
在QQmax，即（jí）在測量範圍之外誤差將超過δmax。這就是說雖然渦輪流量傳（chuán）感器具有很好的重複性，但是由於電脈衝信號頻率F與（yǔ）體（tǐ）積流量Q之間是非線性（xìng）的，按照常規的平均儀表係數`K的（de）計算方法，對於一定的誤差限士A，由於非線性誤差的存在使得渦輪流量傳感器的工作範圍隻能限定在Qmin~Qmax之內。
對於（yú）重（chóng）複性很好而線性度較（jiào）差的渦輪流量傳感器，要擴大（dà）其測量範圍或減小測量誤差，研究的核心問題是設計（jì）一-種便捷的使用方法，按（àn）照行鑒（jiàn）定規程利用原有檢定數據，使（shǐ）渦輪流量傳（chuán）感器在具有很小重複性誤差的流量（liàng）範圍內，都能得到很準確測量效果。
3 渦輪（lún）流量（liàng）傳感器的常（cháng）規使用方法
像其它速度式流（liú）量計一（yī）樣，渦輪流（liú）量傳感器（qì）出廠時要（yào）按照渦輪流量傳感器鑒（jiàn）定規程(JJG198-94)的規定進行（háng）計量性能檢定。傳感器的量程比a
按照公式(5)計算得到非線性誤差δ≤1.0%,對於量程比a=10的渦輪流量傳感器，很難（nán）實現。即（jí）采用平均儀表係數`K計算流量的計量（liàng）準確度達到1.0級水平是一件很難是達到的（de）指標;而實際檢定數據顯示，各流量檢定點Qi上的儀表係數Ki的重複性誤差Eri基本都能達到0.1%甚至（zhì）0.01%範圍之內。Eri由公式(6)計算得到。
渦輪流量傳感器（qì）的重複性誤差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%而重複性誤差Er≤0.01。如（rú）果（guǒ）在使用渦輪流（liú）量傳（chuán）感器進行流量測量時不對儀表係.數取平均值，即不用平均（jun1）儀表係數`K而是直接使用各（gè）流量檢定（dìng）點的檢定（dìng）儀表係數Ki，就有可能避免非線性誤差對流量測量（liàng）的影響。渦輪（lún）流量傳（chuán）感器的測量誤（wù）差就（jiù）有可（kě）能從（cóng）線性度δ=1.0%變為重複性Eri=0.01%。即渦輪流量傳感器的製造工（gōng）藝不變、遵循現行的計（jì）量檢定規程、使用現有的檢定數（shù）據，隻是對檢定數據的使用方法稍加改（gǎi）變就有可能成百倍地提高測量準確度。
渦（wō）輪（lún）流量傳感器輸出的脈衝信號頻率（lǜ）F=Nxn(N是渦輪葉片（piàn）數，n是渦輪的旋轉速度);流（liú）過渦輪流量傳感器（qì）的被測流體體積流量Q=Sxu(S是流體的流通截麵（miàn）積，u流體介質的流（liú）速);渦輪流量
輪（lún）流量傳感器的儀表係數K與Q的關係近似線性的單調函數(見圖2)。因此，在對檢定結果進行處理時，直接將各檢定點的檢定結果以Fi、Ki的形式存入二甲苯流量（liàng）計的數值運算部分，不必對其儀表（biǎo）係數取平均值。在使用渦（wō）輪流量傳感（gǎn）器進行（háng）流量測量時，根據渦輪流量傳感器的信（xìn）號（hào）頻（pín）率F，即可在以上檢定結果中檢索（suǒ）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（de）流量（liàng）檢定（dìng）點數;若信號頻率F=Fi或F=Fi+1，則相（xiàng）應的Ki或K.i+1即為所需的儀表係數（shù）;若信（xìn）號頻率Fi
這種計算方法的設計思路是在檢定頻（pín）率點（diǎn）上直接用檢定點的檢定儀表係數，其誤差就是（shì）該點的重複性誤差δg;在檢定頻率點之間就采用相鄰兩個檢定（dìng）點的檢定儀表係數K、Ki+1的線（xiàn）性差（chà）值得到該點的儀表係數K，由此帶來的*大測量誤差的*限值為（wéi）K、Ki+1之間的非線性誤差δ?max。因為各計量檢定點是按照鑒定規程(JJG198-94)確定的，所以（yǐ）各檢定點（diǎn）的非線性誤差（chà）δ?max與全量程（chéng）非線性誤差（chà）δ之間應滿足δ?max=δ/n.也就是說使用這種計算方法得到（dào）的測量結（jié）果其誤差值隻有采用平均儀表係數時1/n由於渦輪流量傳感器的儀表係數K與流量Q之間當Q≥Q。時基（jī）本呈線性（xìng）關係，所以用線性插值法得到的實際的測量誤差8'更接近重複性誤差（chà）ER而遠小於非線性（xìng）誤差δ?max，即δ'≈En
4實驗數據分析
被檢儀表:公稱通徑分別為10mm和15mm的渦輪流（liú）量傳（chuán）感器各一台;檢定裝置:靜態稱重法標準水流量檢定裝置，係統精度+0.2%。分別采用常規的平均儀表係數法和檢定係數折線法（fǎ）進行標.定，並與作（zuò）為標準（zhǔn）的靜態稱重法的檢定結果（guǒ）進（jìn）行比對，結果見表1.表2。
從表1可見，在相同的量程範圍(0.32m3/h~1.10m3/h)內，使用（yòng）常規平均儀表係數法的*大非線性誤差為（wéi）0.2493%，而使（shǐ）用（yòng）檢定係數折線法的*大誤差隻有0.0569%，誤（wù）差（chà）堿少了4倍多;表2顯示，使用常規平均儀表係數法的*大非線性誤差為0.7646%，在相同的量程範圍(0.5m3/h~5.0m'/h)內，檢定係數折線法的（de）*大誤差隻有0.1566%，減少了近5倍。顯然，在同（tóng）樣的測量準確度水平(如對10mm渦輪取0.2級、對15mm渦輪取0.5級)下，采用檢（jiǎn）定係數修正法渦輪（lún）流量傳感器（qì）的測（cè）量範圍比使用常規的平均儀（yí）表（biǎo）係數法有了明（míng）顯的擴大。
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1 渦輪流量傳（chuán）感（gǎn）器的工作原理（lǐ）
渦輪流量傳感器結構如圖1所示，屬（shǔ）於速度式流量傳（chuán）感器（qì）。渦輪置於流體通道中，隨著流體的流動產生旋轉，設渦輪的轉速為n、流過渦輪的（de）流體速度為u,則n與u成正比;流體通道的流通截麵（miàn）.積S是已知的常數，所以，流過渦輪流量傳感器的流體（tǐ）體積流量Q為:
測量流體（tǐ）速度u通常是利用電磁感應原理將與流體速度成正比的渦（wō）輪轉速n變成脈衝頻率F:
F=Nxn(2)
公式(2)中，N是渦（wō）輪流量傳感器（qì）的葉片數（shù），n是葉輪的旋（xuán）轉速度。渦輪（lún）流量傳感器一旦選（xuǎn）定，其葉片數N即為常數，所（suǒ）以信號頻率F與轉（zhuǎn）速n呈線性關係;由於葉輪的轉速n正比（bǐ）於（yú）流體的流速u,對於截麵積S恒（héng）定的（de）流通管路，由公式(1)可見，流體（tǐ）速度u與流（liú）量Q之間也呈線性關係。所以，電脈衝信號（hào）頻率F也就正（zhèng）比（bǐ）於流（liú）量Q。在使（shǐ）用渦輪流量傳（chuán）感器時，隻要測量出它的輸出電脈衝信號頻率F，就可以計算出相應的（de）體積流量Q。
雖然電（diàn）脈衝信號頻率F與體積流（liú）量（liàng）Q是正比關（guān）係，但是其比值卻不是常數。其原因是流體的摩擦阻力（lì）、粘滯阻力、磁電轉換（huàn）器的電磁阻力以及渦（wō）輪（lún）軸與軸（zhóu）承之間的機械摩擦阻力等都（dōu）與流體（tǐ）的流動速度有關。可以用
來表達各參數間的關係。
式中，M是渦輪傳感器輸（shū）出的（de）電脈衝數，V是流過（guò）渦輪傳（chuán）感器的流（liú）體體積，即`K為通過單位（wèi）流體流量渦（wō）輪流量傳感器發（fā）出的電脈衝頻率或單位體積流體渦（wō）輪流量傳感器發出的電脈衝數，`K稱（chēng）為渦輪流量傳（chuán）感器的平均儀表係數。圖2表（biǎo）示了（le）`K與Q之間的關係。以往常規使用方法是在渦輪流量傳感器的測量範圍Qmin一Qmax內，測得各流量檢定點的儀表係數Ki並將各Kt取平均值得到`K，把`K作為該（gāi）傳（chuán）感器的平均儀表（biǎo）係數。進行流量（liàng）測（cè）量時，測得渦輪流量傳感（gǎn）器發出的電脈衝頻率F，即可由
得到相應的流量Q值，從而完成流量測（cè）量（liàng）任務。
2 渦輪流量（liàng）傳感器的測量範圍（wéi）
圖2顯示測量出電脈衝信號頻率F用平均儀表係數`K計算得到的Q值，在Qmin~Qmax範圍內的*大（dà）相對（duì）誤差為（wéi）:
在Q
對於（yú）重（chóng）複性很好而線性度較（jiào）差的渦輪流量傳感器，要擴大（dà）其測量範圍或減小測量誤差，研究的核心問題是設計（jì）一-種便捷的使用方法，按（àn）照行鑒（jiàn）定規程利用原有檢定數據，使（shǐ）渦輪流量傳（chuán）感器在具有很小重複性誤差的流量（liàng）範圍內，都能得到很準確測量效果。
3 渦輪（lún）流量（liàng）傳感器的常（cháng）規使用方法
像其它速度式流（liú）量計一（yī）樣，渦輪流（liú）量傳感器（qì）出廠時要（yào）按照渦輪流量傳感器鑒（jiàn）定規程(JJG198-94)的規定進行（háng）計量性能檢定。傳感器的量程比a
按照公式(5)計算得到非線性誤差δ≤1.0%,對於量程比a=10的渦輪流量傳感器，很難（nán）實現。即（jí）采用平均儀表係數`K計算流量的計量（liàng）準確度達到1.0級水平是一件很難是達到的（de）指標;而實際檢定數據顯示，各流量檢定點Qi上的儀表係數Ki的重複性誤差Eri基本都能達到0.1%甚至（zhì）0.01%範圍之內。Eri由公式(6)計算得到。
渦輪流量傳感器（qì）的重複性誤差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%而重複性誤差Er≤0.01。如（rú）果（guǒ）在使用渦輪流（liú）量傳（chuán）感器進行流量測量時不對儀表係.數取平均值，即不用平均（jun1）儀表係數`K而是直接使用各（gè）流量檢定（dìng）點的檢定（dìng）儀表係數Ki，就有可能避免非線性誤差對流量測量（liàng）的影響。渦輪（lún）流量傳（chuán）感器的測量誤（wù）差就（jiù）有可（kě）能從（cóng）線性度δ=1.0%變為重複性Eri=0.01%。即渦輪流量傳感器的製造工（gōng）藝不變、遵循現行的計（jì）量檢定規程、使用現有的檢定數（shù）據，隻是對檢定數據的使用方法稍加改（gǎi）變就有可能成百倍地提高測量準確度。
渦（wō）輪（lún）流量傳感器輸出的脈衝信號頻率（lǜ）F=Nxn(N是渦輪葉片（piàn）數，n是渦輪的旋轉速度);流（liú）過渦輪流量傳感器（qì）的被測流體體積流量Q=Sxu(S是流體的流通截麵（miàn）積，u流體介質的流（liú）速);渦輪流量
輪（lún）流量傳感器的儀表係數K與Q的關係近似線性的單調函數(見圖2)。因此，在對檢定結果進行處理時，直接將各檢定點的檢定結果以Fi、Ki的形式存入二甲苯流量（liàng）計的數值運算部分，不必對其儀表（biǎo）係數取平均值。在使用渦（wō）輪流量傳感（gǎn）器進行（háng）流量測量時，根據渦輪流量傳感器的信（xìn）號（hào）頻（pín）率F，即可在以上檢定結果中檢索（suǒ）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（de）流量（liàng）檢定（dìng）點數;若信號頻率F=Fi或F=Fi+1，則相（xiàng）應的Ki或K.i+1即為所需的儀表係數（shù）;若信（xìn）號頻率Fi
這種計算方法的設計思路是在檢定頻（pín）率點（diǎn）上直接用檢定點的檢定儀表係數，其誤差就是（shì）該點的重複性誤差δg;在檢定頻率點之間就采用相鄰兩個檢定（dìng）點的檢定儀表係數K、Ki+1的線（xiàn）性差（chà）值得到該點的儀表係數K，由此帶來的*大測量誤差的*限值為（wéi）K、Ki+1之間的非線性誤差δ?max。因為各計量檢定點是按照鑒定規程(JJG198-94)確定的，所以（yǐ）各檢定點（diǎn）的非線性誤差（chà）δ?max與全量程（chéng）非線性誤差（chà）δ之間應滿足δ?max=δ/n.也就是說使用這種計算方法得到（dào）的測量結（jié）果其誤差值隻有采用平均儀表係數時1/n由於渦輪流量傳感器的儀表係數K與流量Q之間當Q≥Q。時基（jī）本呈線性（xìng）關係，所以用線性插值法得到的實際的測量誤差8'更接近重複性誤差（chà）ER而遠小於非線性（xìng）誤差δ?max，即δ'≈En
4實驗數據分析
被檢儀表:公稱通徑分別為10mm和15mm的渦輪流（liú）量傳（chuán）感器各一台;檢定裝置:靜態稱重法標準水流量檢定裝置，係統精度+0.2%。分別采用常規的平均儀表係數法和檢定係數折線法（fǎ）進行標.定，並與作（zuò）為標準（zhǔn）的靜態稱重法的檢定結果（guǒ）進（jìn）行比對，結果見表1.表2。
從表1可見，在相同的量程範圍(0.32m3/h~1.10m3/h)內，使用（yòng）常規平均儀表係數法的*大非線性誤差為（wéi）0.2493%，而使（shǐ）用（yòng）檢定係數折線法的*大誤差隻有0.0569%，誤（wù）差（chà）堿少了4倍多;表2顯示，使用常規平均儀表係數法的*大非線性誤差為0.7646%，在相同的量程範圍(0.5m3/h~5.0m'/h)內，檢定係數折線法的（de）*大誤差隻有0.1566%，減少了近5倍。顯然，在同（tóng）樣的測量準確度水平(如對10mm渦輪取0.2級、對15mm渦輪取0.5級)下，采用檢（jiǎn）定係數修正法渦輪（lún）流量傳感器（qì）的測（cè）量範圍比使用常規的平均儀（yí）表（biǎo）係數法有了明（míng）顯的擴大。
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