提要：根據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(shí)際應用上，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(diǎn), 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。

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(jià)格適宜, 使用甚廣。利用其優(yōu)點(diǎn), 采用測頻計數——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

智能型渦輪流量計的結構如圖1所示。它是一種速度式流量?jì)x表, 以動(dòng)量矩的守恒原理為基礎。當流體沖擊葉輪葉片, 使葉輪旋轉。旋轉速度隨流量的變化而變化, 同時(shí)導磁性的葉輪周期性的改變磁電系統的磁阻值, 使通過(guò)線(xiàn)圈的磁通量發(fā)生周期性的變化, 因而在線(xiàn)圈內感應出脈沖電信號, 經(jīng)放大后計數和顯示。

部分渦輪流量計的規格和精度如表1所示。

在測量范圍內, 葉輪的轉速可看成與流量成正比, 而信號脈沖數與葉輪的轉速成正比, 所以當測得葉輪轉動(dòng)頻率f或某一時(shí)間內的脈沖總數m后, 分別除以渦輪流量計常數ζ(次/L)，便可求得流量Q (L/s)，即

由此可見(jiàn)，用渦輪流量計測量水泵流量，需測量頻率f。從表1中可見(jiàn)，渦輪流量計的頻率(精度范圍內)在20Hz到500Hz之間。

2、誤差分析

根據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(shí), 其系統誤差用方和根表示為

式中δQ——用渦輪流量計測量流量時(shí)的系統誤差；

δw——渦輪流量計精度, 選用一定的流量計，其精度也就基本確定；

δf——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δf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

δf=δ±1個(gè)字

式中 δ由頻率測量通道的時(shí)鐘電路和輸入放大電路決定, 通常為0.1%；±1個(gè)字是由于檢測周期與計數脈沖不同步，使計數器多計或少計一個(gè)數所造成的誤差。

頻率測量通常是在標準時(shí)間內，用計數器累計渦輪流量計輸出的脈沖數來(lái)計算的, 顯然, 標準時(shí)間和信號周期是同步的, 即標準時(shí)間不可能正好是信號脈沖的整數倍。其±1個(gè)字的誤差在標準時(shí)間為1s時(shí)，就是±1Hz，相對誤差為±1f/1×100%。因此，這種方法在小流量(低頻)時(shí)，由于計數值較少，誤差是相當大的。如f=10Hz時(shí)，相對誤差為10%，將標準時(shí)間延長(cháng)為10s，其相對誤差仍有1%，即使在大流量時(shí)，如f=500Hz時(shí)，其相對精度仍有0.2%。因此，計數測頻法在水泵整個(gè)流量范圍內，誤差不能控制在微小誤差數量級上，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，我們設想用信號周期作為檢測周期, 將測頻計數和測周計脈沖相結合, 這樣, 既可在小流量時(shí)可靠地測頻, 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(lái)定時(shí)，其值是不變的。檢測時(shí)間t在t1結束后，由渦輪流量計輸出信號的*一個(gè)脈沖來(lái)決定。即t=t1+△t，m1和m2是檢測時(shí)間t內渦輪流量計發(fā)出的脈沖數和時(shí)鐘脈沖的計數值，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)行計數，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)鐘脈沖的計數誤差。由于晶振的時(shí)鐘頻率f0很高，在一個(gè)信號周期內，±1個(gè)字的誤差為f/f0，若f0=1MHz，在小流量(f=10Hz)時(shí)，相對誤差為0.001%；大流量(f=500Hz)時(shí)，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、結論

采用測頻計數——測周計脈沖法與目前測頻計數法相比，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(shí)現，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(wèn)題。表2是改進(jìn)前后的測量誤差實(shí)測對比。

經(jīng)過(guò)實(shí)際應用證明，這種方法在精度和誤差方面完全符合理論研究與設計結果，是提高渦輪流量計對水泵流量測量精度較好的方法。