輪流量計(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(duì)渦輪流量計(jì)輸出脈沖信號(hào)特性的研究和分析，提出了一種擴(kuò)大渦輪流量計(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:
Q = S × u

圖 1 渦輪流量傳感器結(jié)構(gòu)

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:
 

 
  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(hào)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(duì)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(hào)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(hào)頻率F，就可以計(jì)算出相應(yīng)的體積流量 Q。

圖 2 儀表系數(shù)特性曲線
雖然電脈沖信號(hào)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F M度有關(guān)?？梢杂?K = _Q = _V 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 Q_min ～ Q_max 內(nèi)，測得各流量檢定點(diǎn)的儀表系數(shù) K_i ，并將各 K_i 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 Q = ^F_K 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(hào)頻率 F 用平均儀表系數(shù) K 計(jì)算得到的 Q 值，在 Q_min ～ Q_max 范圍內(nèi)的***大相對(duì)誤差為:

δmax	=	±			× 100%	( 3)
			K

 
 在 Q ＜ Q_min 或 Q ＞ Q_max ，即在測量范圍之外誤差將超過 δ_max 。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(hào)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(duì)于一定的誤差限 ± ，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 Q_min ～ Q_max 之內(nèi)。
 對(duì)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 α
^Qmax= _Qmin ^{一旦確定，其各流量檢定點(diǎn) Q}i ^{也就隨即產(chǎn)}生^⑴ 。在量程范圍即 Q_min ～ Q_max 內(nèi)，規(guī)程規(guī)定了 n 個(gè)流量檢定點(diǎn)。通過實(shí)流標(biāo)定，得到相應(yīng)檢定點(diǎn) Q_i ( i = 1 ～ n) 的儀表系數(shù) K_i 。于是，平均儀表系數(shù)

次數(shù)。
 
  渦輪流量傳感器的重復(fù)性誤差 E_r = E_rimax 通常情況下，渦輪流量傳感器的量程比 α = 10、非線性誤差 δ≥1． 0% 而重復(fù)性誤差 E_r ≤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(duì)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) K_i ，就有可能避免非線性誤差對(duì)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 E_ri = 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(duì)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(hào)頻率 F = N × n ( 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 = S × u ( S 是流體的流通截面積，u 流體介質(zhì)的流速) ; 渦輪流量
傳感器在各檢定點(diǎn)的儀表系數(shù) Ki  = ^Fi ，并且各檢定
Q_i
 
點(diǎn)的檢定儀表系數(shù) K_i 的重復(fù)性誤差 E_ri y 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其非線性誤差 δ。在常規(guī)使用過程中，傳感器得到的
流量 Qi  是通過 Qi  = ^Fi 的關(guān)系求得的。即流量計(jì)的
K_i
 
計(jì)算單元得到渦輪流量傳感器輸出的電脈沖頻率 F，
通過 Q = ^F 計(jì)算出瞬時(shí)流量 Q。當(dāng) Q ＞ Q₀  之后，渦
K
 
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(duì)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 F_i 、K_i 的形式存入渦輪流量計(jì)的數(shù)值運(yùn)算部分，不必對(duì)其儀表系數(shù)

復(fù)性誤差 δ_Ｒ ; 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_i 、K i + 1 的線性差值得到該點(diǎn)的儀表系數(shù) K，由此帶來的***大測量誤差的極限值為 K_i 、K_{i + 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1系數(shù)時(shí) _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≥Q₀ 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 δ'_max 更接近重復(fù)性誤差 E_Ｒ 而遠(yuǎn)小于非線性誤差 δ'_max ，即 δ' ≈ E_Ｒ ＜
＜ δ'_max 。
 
  這種計(jì)算方法與平均儀表系數(shù)方法的區(qū)別在于渦輪流量計(jì)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(duì)檢定頻率點(diǎn) ( F_i ，F(xiàn)_{i + 1} ) 及對(duì)應(yīng)的一對(duì)檢定儀表系數(shù) ( K_i ，K_{i + 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) ( F_i ，F(xiàn)_{i + 1} ) 、( K_i ，K i + 1) ，先用公式 ( 7) 計(jì)算出對(duì)應(yīng)信號(hào)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(tái); 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(duì)，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． 10 m³ / h) 內(nèi)，使用常規(guī)平均儀表系數(shù)法的***大非線性誤差為 0． 2493%，而使用檢定系數(shù)折線法的***大誤差只有 0． 0569% ，誤差減少了 4 倍多; 表 2 顯示，使用常規(guī)平均儀表系數(shù)法的***大非線性誤差為0． 7646%，在相同的量程范圍 ( 0． 5m³ / h ～ 5． 0 m³ / h) 內(nèi)，檢定系數(shù)折線法的***大誤差只有 0． 1566%，減少了近 5 倍。顯然，在同樣的測量準(zhǔn)確度水平 ( 如對(duì) 10mm 渦輪取 0． 2 級(jí)、對(duì) 15mm 渦輪取 0． 5級(jí)) 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。