提要：根據(jù)渦輪流量計的工作原理和誤差理論的分析與合成原則 ,從理論和實際應(yīng)用上 ,分析了產(chǎn)生誤差的原因和誤差量級 ,闡述了提高渦輪流量計測量水泵流量精度的方法。
  水泵試驗中 ,精度是測試工作的重點 ,而其中流量的測量誤差往往在效率試驗中占總誤差的 70% 以上。因此 ,減小流量測量誤差是提高水泵測試精度的重要環(huán)節(jié)。目前 ,水泵流量的測量方法很多 ,其中渦輪流量計使用方便 ,價格適宜 ,使用甚廣。
  利用其優(yōu)點 ,采用測頻計數(shù)—— 測周計脈沖法 ,可有效地控制誤差 ,提高測試精度。

1、渦輪流量計的工作原理：
  渦輪流量計的結(jié)構(gòu)如圖 1所示。它是一種速度式流量儀表 ,以動量矩的守恒原理為基礎(chǔ)。當(dāng)流體沖擊葉輪葉片 ,使葉輪旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)速度隨流量的變化而變化 ,同時導(dǎo)磁性的葉輪周期性的改變磁電系統(tǒng)的磁阻值 ,使通過線圈的磁通量發(fā)生周期性的變化 ,因而在線圈內(nèi)感應(yīng)出脈沖電信號 ,經(jīng)放大后計數(shù)和顯示。
  部分渦輪流量計的規(guī)格和精度如表 1所示。

表 1　 部分渦輪流量計規(guī)格及其測量精度

　 在測量范圍內(nèi) ,葉輪的轉(zhuǎn)速可看成與流量成正比 ,而信號脈沖數(shù)與葉輪的轉(zhuǎn)速成正比 ,所以當(dāng)測得葉輪轉(zhuǎn)動頻率 f 或某一時間內(nèi)的脈沖總數(shù) m 后 ,分別除以渦輪流量計常數(shù) Y(次 /L) ,便可求得流量 Q( L /s) ,即Q =fY由此可見 ,用渦輪流量計測量水泵流量 ,需測量頻率 f。從表 1中可見 ,渦輪流量計的頻率 (精度范圍內(nèi) )在 20 Hz到 500 Hz之間。

2、誤差分析：
  根據(jù)誤差理論中誤差分析與合成原則 ,使用渦輪流量計測量水泵流量時 ,其系統(tǒng)誤差用方和根表示為WW+WW式中W一用渦輪流量計測量流量時的系統(tǒng)誤差;  
   W一渦輪流量計精度，選用一定的流量計，其精度也就基本確定;
　Wf—— 渦輪流量計輸出信號頻率的測量精度 ,由頻率測量方法決定。因此 ,提高渦輪流量計測量流量的精度 ,必須降低 Wf 到微小誤差的量級上 ,使之可以忽略不計。一般頻率的測量精度由兩部分組成 ,即Wf = W± 1個字式中W由頻率測量通道的時鐘電路和輸入放大電路決定 ,通常為 0. 1% ; ± 1個字是由于檢測周期與計數(shù)脈沖不同步 ,使計數(shù)器多計或少計一個數(shù)所造成的誤差。頻 率測量通常是在標(biāo)準(zhǔn)時間內(nèi) ,用計數(shù)器累計渦輪流量計輸出的脈沖數(shù)來計算的 ,顯然 ,標(biāo)準(zhǔn)時間和信號周期是同步的 ,即標(biāo)準(zhǔn)時間不可能正好是信號脈沖的整數(shù)倍。其 ± 1個字的誤差在標(biāo)準(zhǔn)時間為 1 s時 ,就是 ± 1 Hz,相對誤差為 ±1f× 100% 。因此 ,這種方法在小流量 (低頻 )時 ,由于計數(shù)值較少 ,誤差是相當(dāng)大的。如 f = 10 Hz時 ,相對誤差為 10% ,將標(biāo)準(zhǔn)時間延長為 10 s,其相對誤差仍有 1% ,即使在大流量時 ,如 f = 500 Hz時 ,其相對精度

圖 1　 渦輪流量計結(jié)構(gòu)
仍有 0. 2%。因此 ,計數(shù)測頻法在水泵整個流量范圍內(nèi) ,誤差不能控制在微小誤差數(shù)量級上 ,因而不可忽略。

3、 提高精度的方法：
  測量頻率的關(guān)鍵是使檢測周期與信號周期同步。因此 ,我們設(shè)想用信號周期作為檢測周期 ,將測頻計數(shù)和測周計脈沖相結(jié)合 ,這樣 ,既可在小流量時可靠地測頻 ,在大流量時亦具有較高的分辨率。這種方法的硬件電路如圖 2所示 ,包括單片機 8031,可編程定時器 8253以及兩個 D觸發(fā)器。其中 t1由一個 8253定時器 0來定時 ,其值是不變的。
  檢測時間 t在 t1結(jié)束后 ,由渦輪流量計輸出信號的個脈沖來決定。即 t = t1+ Δt,m1和 m2是檢測時間 t內(nèi)渦輪流量計發(fā)出的脈沖數(shù)和時鐘脈沖的計數(shù)值 , T0是一個脈沖的周期 ,分別用 8253定時器 1和定時器 2進行計數(shù) ,且 t = m2T0,則頻率 f 為f =m1N   t=m 1N   m 2   T0=f 0   m1N   m2( 1)式中 N—— 葉輪每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖數(shù)。如圖 2所示 ,測量時 ,當(dāng) 8253初始化之后 ,三個定時器的輸出端 OUT0～ OUT2置零 ,使D1 = 0, D2 = 0。首先 P1. 5 = 0,則 P R1 = 0, Q1 = 1, Q1 = 0, 8253的三個定時器門控端 G0 =G1 = G2 = 0,禁止三個計數(shù)器工作。

圖 2　 測頻計數(shù) —— 測周計脈沖法測量原理圖
  P1.5 = 0的同時 ,還使CLR2 = 0, Q2 = 0, Q2 = 1,使 8031的外部中斷輸入端 IN T = 1,則不向單片機提出中斷申請。
  P1. 5 = 1,啟動 8253。P R1 = 1, D1 = 0,渦輪流量計脈沖接 D觸發(fā)器的時鐘端 CP1 和 CP2 ,渦輪流量計旋轉(zhuǎn)后 ,輸出脈沖打入兩個 D觸發(fā)器 ,使 Q1 = 0,Q1 = 1,使 G0 = G1 = G2 = 1,三個定時器開始計數(shù)。C L R2 = 1,因 D2 = 0,使 Q2 = 0, Q2 = 1,仍然不提出外部中斷申請。
  當(dāng) 8253定時器 0的定時時間為 t1時 ,輸出端 OUT0 = 1,使 D1 = D2 = 1。D1 = 1,直到下一個流量計輸出脈沖打入后 , D觸發(fā)器再傳送一次 D1 = 1,使 Q1 = 0,三個定時器的控制端為零 ,同時停止計數(shù)。
  D2 = 1,同理使 Q2 = 0, IN T = 0, 8253向單片機提出外部中斷申請 ,在外部中斷服務(wù)程序內(nèi)讀出 8253定時器 1和定時器 2的計數(shù)值 m1 和 m2,由式 ( 1) 計算出頻率 f。
  這種方法的外部中斷服務(wù)程序框圖如圖 3所示。
  采用這種方法只存在時鐘脈沖的計數(shù)誤差。由于晶振的時鐘頻率 f 0 很高 ,在一個信號周期內(nèi) , ± 1個字的誤差為ff 0,若 f 0 = 1 M Hz,在小流量 ( f = 10 Hz) 時 ,相對誤差為 0. 001% ; 大流量 ( f = 5 00 Hz) 時 ,其相對誤差為 0.05 % 。因此 ,頻率測量誤差 Wf 相對 WW 和 W為微小誤差 ,可以忽略其影響。

　 4、結(jié)論：
      采用測頻計數(shù)一一測周計脈沖法與目前則頻計數(shù)法相比，前者遠遠小于后者的測量誤差，采用這種方法不僅測量精度有保證，且可靠易于實現(xiàn)，可從根本上解決渦輪流量計對水泵流量的測量精度及減小誤差問題表2是改進前后的測量誤差實測對比。

表2改進前后渦輪流量計對水泵流量測量的誤差比較
    經(jīng)過實際應(yīng)用證明，這種方法在精度和誤差方面完全符合理論研究與設(shè)計結(jié)果，是提高渦輪流量計對水泵流量測量精度較好的方法。