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如何提高涡轮流量计测量水泵流量精度的方法

发布时间:2017-12-21
 

提要:根据涡轮流量计的工作原理和误差理论的分析与合成原则, 从理论和实际应用上,分析了产生误差的原因和误差量级, 阐述了提高涡轮流量计测量水泵流量精度的方法。
水泵试验中, 精度是测试工作的重点, 而其中流量的测量误差往往在效率试验中占总误差的70%以上。因此, 减小流量测量误差是提高水泵测试精度的重要环节。
目前, 水泵流量的测量方法很多, 其中涡轮流量计使用方便, 价格适宜, 使用甚广。利用其优点, 采用测频计数——测周计脉冲法, 可有效地控制误差, 提高测试精度。
1、涡轮流量计的工作原理
涡轮流量计的结构如图1所示。它是一种速度式流量仪表, 以动量矩的守恒原理为基础。当流体冲击叶轮叶片, 使叶轮旋转。旋转速度随流量的变化而变化, 同时导磁性的叶轮周期性的改变磁电系统的磁阻值, 使通过线圈的磁通量发生周期性的变化, 因而在线圈内感应出脉冲电信号, 经放大后计数和显示。
部分涡轮流量计的规格和精度如表1所示。

在测量范围内, 叶轮的转速可看成与流量成正比, 而信号脉冲数与叶轮的转速成正比, 所以当测得叶轮转动频率f或某一时间内的脉冲总数m后, 分别除以涡轮流量计常数ζ(次/L),便可求得流量Q (L/s),即

由此可见,用涡轮流量计测量水泵流量,需测量频率f。从表1中可见,涡轮流量计的频率(精度范围内)在20Hz到500Hz之间。

2、误差分析                                    
根据误差理论中误差分析与合成原则,使用涡轮流量计测量水泵流量时, 其系统误差用方和根表示为

式中δQ——用涡轮流量计测量流量时的系统误差;
δw——涡轮流量计精度, 选用一定的流量计,其精度也就基本确定;
δf——涡轮流量计输出信号频率的测量精度, 由频率测量方法决定。
因此, 提高涡轮流量计测量流量的精度, 必须降低δf到微小误差的量级上, 使之可以忽略不计。一般频率的测量精度由两部分组成,即
δf=δ±1个字
式中 δ由频率测量通道的时钟电路和输入放大电路决定, 通常为0.1%;±1个字是由于检测周期与计数脉冲不同步,使计数器多计或少计一个数所造成的误差。
频率测量通常是在标准时间内,用计数器累计涡轮流量计输出的脉冲数来计算的, 显然, 标准时间和信号周期是同步的, 即标准时间不可能正好是信号脉冲的整数倍。其±1个字的误差在标准时间为1s时,就是±1Hz,相对误差为±1f/1×100%。因此,这种方法在小流量(低频)时,由于计数值较少,误差是相当大的。如f=10Hz时,相对误差为10%,将标准时间延长为10s,其相对误差仍有1%,即使在大流量时,如f=500Hz时,其相对精度仍有0.2%。因此,计数测频法在水泵整个流量范围内,误差不能控制在微小误差数量级上,因而不可忽略。
3、提高精度的方法
精确测量频率的关键是使检测周期与信号周期同步。因此,我们设想用信号周期作为检测周期, 将测频计数和测周计脉冲相结合, 这样, 既可在小流量时可靠地测频, 在大流量时亦具有较高的分辨率。
这种方法的硬件电路如图2所示,包括单片机8031,可编程定时器8253以及两个D触发器。其中t1由一个8253定时器0来定时,其值是不变的。检测时间t在t1结束后,由涡轮流量计输出信号的第一个脉冲来决定。即t=t1+△t,m1和m2是检测时间t内涡轮流量计发出的脉冲数和时钟脉冲的计数值,T0是一个脉冲的周期,分别用8253定时器1和定时器2进行计数,且t=m2T0,则频率f 为

这种方法的外部中断服务程序框图如图3所示。

采用这种方法只存在时钟脉冲的计数误差。由于晶振的时钟频率f0很高,在一个信号周期内,±1个字的误差为f/f0,若f0=1MHz,在小流量(f=10Hz)时,相对误差为0.001%;大流量(f=500Hz)时,其相对误差为0.05%。因此,频率测量误差δf相对δw和δ为微小误差,可以忽略其影响。
4、结论
采用测频计数——测周计脉冲法与目前测频计数法相比,前者远远小于后者的测量误差,采用这种方法不仅测量精度有保证,且可靠易于实现,可从根本上解决涡轮流量计对水泵流量的测量精度及减小误差问题。表2是改进前后的测量误差实测对比。
经过实际应用证明,这种方法在精度和误差方面完全符合理论研究与设计结果,是提高涡轮流量计对水泵流量测量精度较好的方法。