提要：根據(jù)渦輪流量計(jì)的工作原理和誤差理論的分析與合成原則, 從理論和實(shí)際應(yīng)用上，分析了產(chǎn)生誤差的原因和誤差量級(jí), 闡述了提高渦輪流量計(jì)測(cè)量水泵流量精度的方法。

水泵試驗(yàn)中, 精度是測(cè)試工作的重點(diǎn), 而其中流量的測(cè)量誤差往往在效率試驗(yàn)中占總誤差的70%以上。因此, 減小流量測(cè)量誤差是提高水泵測(cè)試精度的重要環(huán)節(jié)。

目前, 水泵流量的測(cè)量方法很多, 其中渦輪流量計(jì)使用方便, 價(jià)格適宜, 使用甚廣。利用其優(yōu)點(diǎn), 采用測(cè)頻計(jì)數(shù)——測(cè)周計(jì)脈沖法, 可有效地控制誤差, 提高測(cè)試精度。

1、渦輪流量計(jì)的工作原理

智能型渦輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。它是一種速度式流量儀表, 以動(dòng)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(shí)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(hào), 經(jīng)放大后計(jì)數(shù)和顯示。

部分渦輪流量計(jì)的規(guī)格和精度如表1所示。

在測(cè)量范圍內(nèi), 葉輪的轉(zhuǎn)速可看成與流量成正比, 而信號(hào)脈沖數(shù)與葉輪的轉(zhuǎn)速成正比, 所以當(dāng)測(cè)得葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率f或某一時(shí)間內(nèi)的脈沖總數(shù)m后, 分別除以渦輪流量計(jì)常數(shù)ζ(次/L)，便可求得流量Q (L/s)，即

由此可見，用渦輪流量計(jì)測(cè)量水泵流量，需測(cè)量頻率f。從表1中可見，渦輪流量計(jì)的頻率(精度范圍內(nèi))在20Hz到500Hz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(jì)測(cè)量水泵流量時(shí), 其系統(tǒng)誤差用方和根表示為

式中δQ——用渦輪流量計(jì)測(cè)量流量時(shí)的系統(tǒng)誤差；

δw——渦輪流量計(jì)精度, 選用一定的流量計(jì)，其精度也就基本確定；

δf——渦輪流量計(jì)輸出信號(hào)頻率的測(cè)量精度, 由頻率測(cè)量方法決定。

因此, 提高渦輪流量計(jì)測(cè)量流量的精度, 必須降低δf到微小誤差的量級(jí)上, 使之可以忽略不計(jì)。一般頻率的測(cè)量精度由兩部分組成，即

δf=δ±1個(gè)字

式中 δ由頻率測(cè)量通道的時(shí)鐘電路和輸入放大電路決定, 通常為0.1%；±1個(gè)字是由于檢測(cè)周期與計(jì)數(shù)脈沖不同步，使計(jì)數(shù)器多計(jì)或少計(jì)一個(gè)數(shù)所造成的誤差。

頻率測(cè)量通常是在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間內(nèi)，用計(jì)數(shù)器累計(jì)渦輪流量計(jì)輸出的脈沖數(shù)來計(jì)算的, 顯然, 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間和信號(hào)周期是同步的, 即標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間不可能正好是信號(hào)脈沖的整數(shù)倍。其±1個(gè)字的誤差在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間為1s時(shí)，就是±1Hz，相對(duì)誤差為±1f/1×100%。因此，這種方法在小流量(低頻)時(shí)，由于計(jì)數(shù)值較少，誤差是相當(dāng)大的。如f=10Hz時(shí)，相對(duì)誤差為10%，將標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間延長為10s，其相對(duì)誤差仍有1%，即使在大流量時(shí)，如f=500Hz時(shí)，其相對(duì)精度仍有0.2%。因此，計(jì)數(shù)測(cè)頻法在水泵整個(gè)流量范圍內(nèi)，誤差不能控制在微小誤差數(shù)量級(jí)上，因而不可忽略。

3、提高精度的方法

精確測(cè)量頻率的關(guān)鍵是使檢測(cè)周期與信號(hào)周期同步。因此，我們?cè)O(shè)想用信號(hào)周期作為檢測(cè)周期, 將測(cè)頻計(jì)數(shù)和測(cè)周計(jì)脈沖相結(jié)合, 這樣, 既可在小流量時(shí)可靠地測(cè)頻, 在大流量時(shí)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(jī)8031，可編程定時(shí)器8253以及兩個(gè)D觸發(fā)器。其中t1由一個(gè)8253定時(shí)器0來定時(shí)，其值是不變的。檢測(cè)時(shí)間t在t1結(jié)束后，由渦輪流量計(jì)輸出信號(hào)的*一個(gè)脈沖來決定。即t=t1+△t，m1和m2是檢測(cè)時(shí)間t內(nèi)渦輪流量計(jì)發(fā)出的脈沖數(shù)和時(shí)鐘脈沖的計(jì)數(shù)值，T0是一個(gè)脈沖的周期，分別用8253定時(shí)器1和定時(shí)器2進(jìn)行計(jì)數(shù)，且t=m2T0，則頻率f 為

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(shí)鐘脈沖的計(jì)數(shù)誤差。由于晶振的時(shí)鐘頻率f0很高，在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)，±1個(gè)字的誤差為f/f0，若f0=1MHz，在小流量(f=10Hz)時(shí)，相對(duì)誤差為0.001%；大流量(f=500Hz)時(shí)，其相對(duì)誤差為0.05%。因此，頻率測(cè)量誤差δf相對(duì)δw和δ為微小誤差，可以忽略其影響。

4、結(jié)論

采用測(cè)頻計(jì)數(shù)——測(cè)周計(jì)脈沖法與目前測(cè)頻計(jì)數(shù)法相比，前者遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于后者的測(cè)量誤差，采用這種方法不僅測(cè)量精度有保證，且可靠易于實(shí)現(xiàn)，可從根本上解決渦輪流量計(jì)對(duì)水泵流量的測(cè)量精度及減小誤差問題。表2是改進(jìn)前后的測(cè)量誤差實(shí)測(cè)對(duì)比。

經(jīng)過實(shí)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(jì)結(jié)果，是提高渦輪流量計(jì)對(duì)水泵流量測(cè)量精度較好的方法。