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, 闡述了提高渦輪流量計(jì)測量水泵流量精度的方法。

水泵試驗(yàn)中, 精度是測試工作的重點(diǎn), 而其中流量的測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(jì)使用方便, 價(jià)格適宜, 使用甚廣。利用其優(yōu)點(diǎn), 采用測頻計(jì)數(shù)——測周計(jì)脈沖法, 可有效地控制誤差, 提高測試精度。

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(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(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)測量水泵流量，需測量頻率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)測量水泵流量時, 其系統(tǒng)誤差用方和根表示為

式中δQ——用渦輪流量計(jì)測量流量時的系統(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(jì)測量流量的精度, 必須降低δf到微小誤差的量級上, 使之可以忽略不計(jì)。一般頻率的測量精度由兩部分組成，即

δf=δ±1個字

式中 δ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(jì)數(shù)脈沖不同步，使計(jì)數(shù)器多計(jì)或少計(jì)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(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1s時，就是±1Hz，相對誤差為±1f/1×100%。因此，這種方法在小流量(低頻)時，由于計(jì)數(shù)值較少，誤差是相當(dāng)大的。如f=10Hz時，相對誤差為10%，將標(biāo)準(zhǔn)時間延長為10s，其相對誤差仍有1%，即使在大流量時，如f=500Hz時，其相對精度仍有0.2%。因此，計(jì)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

精確測量頻率的關(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(jì)數(shù)和測周計(jì)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(jī)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(jì)輸出信號的*一個脈沖來決定。即t=t1+△t，m1和m2是檢測時間t內(nèi)渦輪流量計(jì)發(fā)出的脈沖數(shù)和時鐘脈沖的計(jì)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(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鐘脈沖的計(jì)數(shù)誤差。由于晶振的時鐘頻率f0很高，在一個信號周期內(nèi)，±1個字的誤差為f/f0，若f0=1MHz，在小流量(f=10Hz)時，相對誤差為0.001%；大流量(f=500Hz)時，其相對誤差為0.05%。因此，頻率測量誤差δf相對δw和δ為微小誤差，可以忽略其影響。

4、結(jié)論

采用測頻計(jì)數(shù)——測周計(jì)脈沖法與目前測頻計(jì)數(shù)法相比，前者遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)，可從根本上解決渦輪流量計(jì)對水泵流量的測量精度及減小誤差問題。表2是改進(jìn)前后的測量誤差實(shí)測對比。

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)對水泵流量測量精度較好的方法。