輪流量計是應(yīng)用廣泛的流量計量儀表。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。通過對渦輪流量計輸出脈沖信號特性的研究和分析，提出了一種擴大渦輪流量計量程范圍的方法，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，電脈沖信號頻率 F 也就正比于流量 Q。在使用渦輪流量傳感器時，只要測量出它的輸出電脈沖信號頻率F，就可以計算出相應(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械摩擦阻力等都與流體的流動速F M度有關(guān)?？梢杂?K = _Q = _V 來表達各參數(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)。進行流量測量時，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頻率 F 用平均儀表系數(shù) K 計算得到的 Q 值，在 Q_min ～ Q_max 范圍內(nèi)的***大相對誤差為:

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 的計算方法，對于一定的誤差限 ± ，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)。
 對于重復(fù)性很好而線性度較差的渦輪流量傳感器，要擴大其測量范圍或減小測量誤差，研究的核心問題是設(shè)計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一樣，渦輪流量傳感器出廠時要按照渦輪流量傳感器鑒定規(guī)程 ( JJG198 － 94) 的規(guī)定進行計量性能檢定。傳感器的量程比 α
^Qmax= _Qmin ^{一旦確定，其各流量檢定點 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 個流量檢定點。通過實流標(biāo)定，得到相應(yīng)檢定點 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行流量測量時不對儀表系數(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的檢定儀表系數(shù) K_i ，就有可能避免非線性誤差對流量測量的影響。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)行的計量檢定規(guī)程、使用現(xiàn)有的檢定數(shù)據(jù)，只是對檢定數(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
傳感器在各檢定點的儀表系數(shù) Ki  = ^Fi ，并且各檢定
Q_i
 
點的檢定儀表系數(shù) K_i 的重復(fù)性誤差 E_ri y 遠遠小于其非線性誤差 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。即流量計的
K_i
 
計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 計算出瞬時流量 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，在對檢定結(jié)果進行處理時，直接將各檢定點的檢定結(jié)果以 F_i 、K_i 的形式存入渦輪流量計的數(shù)值運算部分，不必對其儀表系數(shù)

復(fù)性誤差 δ_Ｒ ; 在檢定頻率點之間就采用相鄰兩個檢定點的檢定儀表系數(shù) K_i 、K i + 1 的線性差值得到該點的儀表系數(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 。因為各計量檢定點是按照鑒定規(guī)程 ( JJG198 － 94 ) 確定的，所以各檢定點的非線性誤差 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 _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 時基本呈線性關(guān)系，所以用線性插值法得到的實際的測量誤差 δ'_max 更接近重復(fù)性誤差 E_Ｒ 而遠小于非線性誤差 δ'_max ，即 δ' ≈ E_Ｒ ＜
＜ δ'_max 。
 
  這種計算方法與平均儀表系數(shù)方法的區(qū)別在于渦輪流量計的數(shù)據(jù)存儲區(qū)中存放的是 n 組實際檢定結(jié)果而不是一個平均儀表系數(shù) K; 使用流量計進行流量測量時，根據(jù)測得的頻率值 F 找到與之相鄰的一對檢定頻率點 ( F_i ，F(xiàn)_{i + 1} ) 及對應(yīng)的一對檢定儀表系數(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) 計算出對應(yīng)信號頻率 F 的儀表系數(shù) K，然后用該頻率值 F除以計算得到的儀表系數(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化儀表中非常容易實現(xiàn); 采用此法在可編程控制器 ( PLC) 以及計算機檢測、控制系統(tǒng)中進行流量測量，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大測量范圍。
 
4、實驗數(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; 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)果進行比對，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 10mm 渦輪取 0． 2 級、對 15mm 渦輪取 0． 5級) 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)法有了明顯的擴大。