分段線性化在渦輪流量計(jì)校準(zhǔn)工作中的應(yīng)用

雷天人，蒲文濤

(西安航空動(dòng)力控制科技有限公司，陜西 西安710077)

0 引言

按JJG1037 －2008 《渦輪流量計(jì)檢定規(guī)程》要求，線性誤差是渦輪流量傳感器基本誤差的重要組成部分，從實(shí)際出發(fā)，在重復(fù)性滿足的情況下，渦輪流量傳感器的線性使用范圍大大縮小了，這樣將減少渦輪流量傳感器的使用價(jià)值。

為此，校準(zhǔn)渦輪流量傳感器過(guò)程中，在重復(fù)性滿足其誤差五分之一的情況下，采用分段線性化的處理方法，不但可以增加渦輪流量傳感器的測(cè)量范圍和測(cè)量精度，還可以增加渦輪流量傳感器使用價(jià)值，對(duì)企業(yè)來(lái)說(shuō)減少因渦輪流量計(jì)檢定不合格引起的資源浪費(fèi)。

1 傳感器的線性特性與分段線性化

1.1 渦輪流量傳感器的線性特性

K－Qv特性曲線說(shuō)明f －Qv特性曲線全量程存在非線性，特別是高粘度介質(zhì)，且有一定規(guī)律，如圖所示1。

圖1 渦輪流量傳感器K－QV 特性曲線

根據(jù)理論分析，渦輪流量傳感器K －QV理想特性曲線是平行于QV軸的直線，但由于流體粘力特性的影響和葉輪上所受阻力矩作用的結(jié)果，實(shí)際的特性曲線具有高峰特征，高峰出現(xiàn)在傳感器上限流量的20% ～30%處，產(chǎn)生高峰特征的原因是:當(dāng)流量減小到某一數(shù)值(通常為20% ～30%上限流量)時(shí)，作用于渦輪上的旋轉(zhuǎn)力矩和粘滯阻力矩都相應(yīng)地減小。但粘滯阻力矩減小更顯著，所以渦輪的轉(zhuǎn)速反而提高，特性曲線出現(xiàn)高峰，隨著流量的進(jìn)一步減小，這樣使作用在渦輪上的所有阻力矩的影響相對(duì)突出，渦輪轉(zhuǎn)速降得快，特性曲線明顯下降，相反，當(dāng)流量增大到超過(guò)某一值時(shí)，作用在渦輪上的旋轉(zhuǎn)力矩增大，當(dāng)與阻力矩達(dá)到平衡時(shí)，特性曲線就顯得較平直。

為了獲得高測(cè)量準(zhǔn)確度，渦輪流量傳感器的使用范圍應(yīng)選在特性曲線的線性段。

另外，被測(cè)流體物理特性對(duì)渦輪流量傳感器線性有影響，其中流體粘度影響最大，這一點(diǎn)必須清楚，由于流體皆具有粘性，使得流體對(duì)渦輪產(chǎn)生粘滯阻力距，被測(cè)流體的變化，對(duì)流量計(jì)特性的影響較大，定性的分析，隨著流體粘度的增大，對(duì)于任意口徑的傳感器來(lái)說(shuō)，它的線性范圍縮小，對(duì)一定口徑的傳感器而言，粘度變化對(duì)線性特性曲線的下限流量處影響最大，隨著流量的增大影響反而減小。對(duì)不同口徑的傳感器來(lái)說(shuō)，口徑越大，粘度變化對(duì)線性特性的影響越小，口徑越小，影響越大，如圖2 所示。

由此可以看出，不管什么樣的流體介質(zhì)，粘度對(duì)傳感器測(cè)量的線性特性都有影響，因此，在全量程范圍內(nèi)，按照J(rèn)JG1037 －2008 要求，數(shù)字式流量二次儀表只能利用儀表系數(shù)K 的線性段30%Qmax以上，對(duì)于30%Qmax以下重復(fù)性好的非線性段，無(wú)法使用，大大縮小了渦輪流量計(jì)的使用范圍，造成資源的浪費(fèi)。

圖2 粘度對(duì)K－QV 線性特性曲線影響V1 ＞V2 ＞V3

為了擴(kuò)展渦輪流量計(jì)的使用范圍，可以像圖3 那樣，將渦輪流量計(jì)流量測(cè)量范圍分段線性化處理(前提是:渦輪流量傳感器標(biāo)定時(shí)，重復(fù)性滿足使用精度的五分之一)，依據(jù)渦輪流量計(jì)K －QV理論特性曲線規(guī)律，劃分成3 段以上，采用10 分段或20 分段的智能流量二次儀表，進(jìn)行f －QV變換，即可達(dá)到全量程滿足使用精度的目的，使用這種分段線性化處理渦輪流量計(jì)方法，可以擴(kuò)展渦輪流量計(jì)的測(cè)量范圍，減少渦輪流量計(jì)報(bào)廢，節(jié)約工廠資源。

圖3 渦輪流量傳感器K－QV 特性曲線

1.2 非線性處理方法:分段線性化

在實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，最小二乘法是線性化數(shù)據(jù)處理的基石，在非線性化傳感器輸出過(guò)程中，分段線性化處理對(duì)傳感器全量程輸出準(zhǔn)確度提高有特殊貢獻(xiàn)。

實(shí)際上，在渦輪流量校準(zhǔn)過(guò)程中，流體經(jīng)過(guò)渦輪流量傳感器將非電量信號(hào)——流速(V)轉(zhuǎn)換成電量信號(hào)——f (Hz)。我們依據(jù)實(shí)際流量QV(l/min)經(jīng)流量傳感器變換成電量信號(hào)頻率f (Hz)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即f－QV函數(shù)關(guān)系，進(jìn)行一元線性回歸分析，擬合出渦輪流量傳感器f －QV特性曲線，發(fā)現(xiàn)渦輪流量傳感器f－QV曲線與渦輪流量傳感器K －QV特性曲線反映規(guī)律特性一致，如圖1 和圖4 對(duì)應(yīng)關(guān)系，它具有非線性特點(diǎn)，且在流量30%Qmax以上具有線性特點(diǎn)，因此，我們可以采用全量程分段線性化處理的方法，每一段采用最小二乘法處理f 和QV數(shù)據(jù)，擬合出f －QV擬合曲線，如圖4 所示。渦輪流量計(jì)分段線性化處理流程圖見(jiàn)圖5。

圖4 渦輪流量傳感器f－QV 特性曲線示意圖

圖5 渦輪流量計(jì)分段線性化處理流程圖

2 渦輪流量計(jì)分段線性化處理結(jié)果評(píng)估

從理論上講，分段線性化可適用于所有非線性傳感器線性化處理，這種結(jié)果風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵在于:①渦輪流量傳感器全量程標(biāo)定，尋找f －QV實(shí)測(cè)曲線真實(shí)拐點(diǎn)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。②渦輪流量傳感器下限流量復(fù)現(xiàn)性帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。只要把握住這兩點(diǎn)，基本可控制渦輪流量計(jì)分段線性化處理結(jié)果的正確性。

下面是一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù):2010 年6 月24 日用現(xiàn)場(chǎng)流量校準(zhǔn)裝置(YLJZ－01)對(duì)渦輪流量傳感器LWGY－4(編號(hào)090402)進(jìn)行校準(zhǔn)。用15 號(hào)紅油，在32℃條件下，先標(biāo)定，后校驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定與驗(yàn)證數(shù)據(jù)處理結(jié)果分別見(jiàn)表1、表2。標(biāo)定與驗(yàn)證曲線見(jiàn)圖6、圖7。表1 數(shù)據(jù)表明:該渦輪流量計(jì)重復(fù)性最大值為0.151%;表2 結(jié)果表明:該渦輪流量計(jì)重復(fù)性為0，最大示值誤差為－1.0% 。

表1 標(biāo)定結(jié)果

圖6 K－QV 標(biāo)定曲線

表2 驗(yàn)證結(jié)果

圖7 QV －f 系統(tǒng)驗(yàn)證曲線

以上標(biāo)定數(shù)據(jù)和驗(yàn)證數(shù)據(jù)及圖6、圖7 說(shuō)明:

①按JJG1037 －2008 要求，滿足1%誤差要求，此渦輪流量計(jì)只能用4.15843 ～5.69897 (L/min)流量線性段(線性度:0.83%，基本誤差:0.84%)。

②按分段線性化處理，在滿足1%誤差要求，可將渦輪流量計(jì)量程擴(kuò)展到0.29588 ～5.13462L/min 量程。

3 總結(jié)

理論分析和實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)說(shuō)明:分段線性化處理方法，在滿足其精度要求的前提下，完全可以擴(kuò)展渦輪流量計(jì)的測(cè)量范圍，并且分段線性化處理方法可以適用于所有傳感器非線性段線性化處理。

［1］蘇彥勛，李金海. 流量計(jì)量［M］. 北京:中國(guó)計(jì)量出版社，1991.

［2］費(fèi)業(yè)泰. 誤差理論與數(shù)據(jù)處理［M］.6 版。北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

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［4］李玉柱，苑明順. 流體力學(xué)［M］.2 版. 北京:高等教育出版社，2008.

［5］JJG1037 －2008 渦輪流量計(jì)檢定規(guī)程［S］. 北京:中國(guó)計(jì)量出版社，2008.