摘　要: 渦輪流量計(jì)是泵試驗(yàn)中常用的流量測(cè)試儀表之一。 文章在討論渦輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu)和基本原理的基礎(chǔ)上 ,分析了“測(cè)頻法”和“測(cè)周法”流量測(cè)試方法存在的精度不等的問(wèn)題 ,提出了多周期同步測(cè)量技術(shù)在渦輪式流量測(cè)試中的應(yīng)用 ,從而進(jìn)一步提高了流量測(cè)試精度。

1、引言：
  流量是泵試驗(yàn)中的一個(gè)重要的測(cè)試參數(shù)。 渦輪流量計(jì)是***常見(jiàn)的流量測(cè)試儀表 ,***初的二次儀表是頻率計(jì) ,經(jīng)過(guò)人工換算后求出流量值。隨著微處理器向體積小、功能強(qiáng)、價(jià)格低等方面的進(jìn)一步發(fā)展 ,電子測(cè)量與儀器和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合就越加緊密 ,形成了一種全新的微機(jī)化儀器—— 智能儀器 ,用這樣的儀器作為渦輪流量的二次儀表 ,流量值便可直接在二次儀表上讀出。 但由于所采用的設(shè)計(jì)方法不一樣 ,渦輪流量計(jì)的測(cè)試精度是不一樣的。 本文在分析渦輪流量計(jì)的基本原理的基礎(chǔ)上 ,提出了一種提高測(cè)試精度的方法。

2、渦輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu)和基本原理：
  渦輪流量計(jì)主要由殼體組件、葉輪組件、前后導(dǎo)向組件、壓緊圈和帶放大器的磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換器所組成 ,其結(jié)構(gòu)如圖 1所示。
  渦輪流量計(jì)是一種速度式流量?jī)x表。被測(cè)流量沖擊葉輪葉片 ,使葉輪旋轉(zhuǎn) ,旋轉(zhuǎn)的速度隨流速變化而變化 ,換句話說(shuō) ,葉輪的旋轉(zhuǎn)速度隨流量的變化而變化。由于具有導(dǎo)磁性的葉片周期性地改變磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換器上的磁阻值 ,使通過(guò)線圈的磁通量發(fā)生周期性的變化 ,進(jìn)而在線圈內(nèi)感應(yīng)出脈動(dòng)電信號(hào)。該信號(hào)正是葉輪經(jīng)過(guò)磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換器的次數(shù)信號(hào)。在磁電轉(zhuǎn)換器中 ,該信號(hào)得到放大 ,形成正比于葉輪轉(zhuǎn)速的脈沖信號(hào)。在測(cè)量范圍內(nèi) ,該脈沖信號(hào)與流量成正比 ,所以 ,只要測(cè)取脈沖信號(hào)的頻率 f ,便可得到瞬時(shí)流量值 Q( L /s) 即：
　　　Q = f /a ( 1)式中 ,a是渦輪流量計(jì)的儀表常數(shù)。

圖 1　 渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)

3、流量測(cè)試的主要誤差分析：
  影響渦輪流量計(jì)測(cè)量精度的一個(gè)主要原因 ,是流速分布不均勻和旋流的存在 ,特別是回流影響***大。消除回流的方法是在位于上游的管道內(nèi)裝入整流器。影響渦輪流量計(jì)測(cè)量精度的另一個(gè)主要原因是脈沖信號(hào)頻率的測(cè)試精度問(wèn)題。在智能化儀表問(wèn)世之前 ,測(cè)取流量采用普通的頻率計(jì) ,計(jì)數(shù)誤差為 ± 1。從流量公式 ( 1) 可知 ,流量的測(cè)試誤差為± ( 1 /a) ,當(dāng) f = 10時(shí) ,由計(jì)數(shù)誤差 + 1引起的相對(duì)誤差為± 0. 1;若 f = 100時(shí)由計(jì)數(shù)誤差+ 1引起的相對(duì)誤差為± 0. 01。頻率 f 越高 ,引起的相對(duì)誤差越小。這說(shuō)明在流量測(cè)試的全量程范圍內(nèi) ,流量測(cè)量的精度是不等的。若采用“測(cè)周法”[1 ], 當(dāng)被測(cè)周期較小時(shí)其相對(duì)誤差大 ,隨著被測(cè)周期增大其相對(duì)誤差減小 , 同樣產(chǎn)生了全量程范圍內(nèi)流量測(cè)量的精度不等的問(wèn)題。若采用多周期同步測(cè)量方法 ,便可能解決上述問(wèn)題。

4、多周同步測(cè)量方法：
4. 1、測(cè)量原理：
  多周期同步測(cè)量原理與傳統(tǒng)的頻率和周期的測(cè)量原理不同 ,它是用被測(cè)信號(hào)來(lái)同步預(yù)置閘門(mén)形成一個(gè)實(shí)際的閘門(mén)時(shí)間 ,再通過(guò)事件計(jì)數(shù)值、時(shí)間計(jì)數(shù)值及時(shí)鐘頻率來(lái)計(jì)算被測(cè)頻率 ,其測(cè)量原理見(jiàn)圖 2。

圖 2　 多周期同步測(cè)量原理框圖
  預(yù)置閘門(mén)時(shí)間發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)預(yù)置閘門(mén)時(shí)間脈沖 TP ,經(jīng)同步電路與被測(cè)信號(hào) f x同步后產(chǎn)生一個(gè)實(shí)際的閘門(mén)時(shí)間脈沖 T ,同步電路可由 D型觸發(fā)器組成。事件計(jì)數(shù)控制門(mén)和時(shí)間計(jì)數(shù)控制門(mén)在實(shí)際閘門(mén)時(shí)間脈沖 T 期間同時(shí)被打開(kāi)。事件計(jì)數(shù)器對(duì) f x 被測(cè)信號(hào)累計(jì)得:　n1 = f x T ( 2)時(shí)間計(jì)數(shù)器對(duì) f 0 時(shí)鐘累計(jì)得:　n2 = f 0T ( 3)由式 ( 2) 和式 ( 3) 消去 T 得:　 f x =n1n2  f 0 

4. 2、誤差分析：
  多周期同步測(cè)量的工作波形如圖 3所示。由于同步電路的作用 ,閘門(mén)的開(kāi)和關(guān)與被測(cè)信號(hào)同步 ,故實(shí)際的閘門(mén)時(shí)間 T 已不等于預(yù)置的閘門(mén)時(shí)間 TP ,其大小不是固定的 ,但 T 必定是被測(cè)信號(hào)f x 的整倍數(shù) , 因此 , 事件計(jì)數(shù)器的累計(jì)值 n1 已不存在± 1的誤差。又由于時(shí)鐘頻率 f 0很高 ,± 1誤差的影響已很小 ,由計(jì)算式 ( 4) 可知 , f x 的誤差只與 n2 的誤差有關(guān)而與被測(cè)信號(hào)的頻率無(wú)關(guān) ,在全頻段范圍內(nèi) n2 是固定不變的 ,所以測(cè)量精度在全頻段范圍內(nèi)是均衡的。若閘門(mén)時(shí)間為 0. 5 s, f 0 為20 M Hz,則在全頻段的測(cè)量誤差為 10- 7。

圖 3　 多周期同步測(cè)量工作波形圖

4. 3、預(yù)置閘門(mén)時(shí)間的選擇：
  從上述分析可知 ,提高測(cè)量精度就是減小 n2的± 1誤差影響 ,即增大 f 0或閘門(mén)時(shí)間 T。一般情況下 , f 0 是固定的 ,而 T 受預(yù)置閘門(mén)時(shí)間 TP 的影響。因此 , TP 的選擇必須注意兩點(diǎn) ,一是不能太小 ,必須使 TP 能包含 f x 的若干周期 (多周期 );二是不能太大 ,即 n2 = f 0 T必須小于計(jì)數(shù)器的***大值 , 這是由于 n2 是計(jì)數(shù)器的累計(jì)值 ,而所有的計(jì)數(shù)器都有一個(gè)溢出的問(wèn)題。

5、結(jié)論：
  采取多周期同步測(cè)量方法 ,能實(shí)現(xiàn)在全頻段范圍內(nèi)等精度測(cè)量渦輪流量計(jì)的輸出信號(hào) fx ,可以使 f x 的相對(duì)誤差小于 10- 7, 甚至更小。與儀表常數(shù) a引起的誤差相比 ,可以忽略不計(jì)。這種測(cè)量方法 ,比“測(cè)頻法” 和“測(cè)周法” 都優(yōu)越得多 ,為渦輪式流量測(cè)試提供了一種高精度的測(cè)量方法。