摘　要: 渦輪流量計是泵試驗中常用的流量測試儀表之一。 文章在討論渦輪流量計的結(jié)構(gòu)和基本原理的基礎(chǔ)上 ,分析了“測頻法”和“測周法”流量測試方法存在的精度不等的問題 ,提出了多周期同步測量技術(shù)在渦輪式流量測試中的應(yīng)用 ,從而進一步提高了流量測試精度。

1、引言：
  流量是泵試驗中的一個重要的測試參數(shù)。 渦輪流量計是***常見的流量測試儀表 ,***初的二次儀表是頻率計 ,經(jīng)過人工換算后求出流量值。隨著微處理器向體積小、功能強、價格低等方面的進一步發(fā)展 ,電子測量與儀器和計算機技術(shù)結(jié)合就越加緊密 ,形成了一種全新的微機化儀器—— 智能儀器 ,用這樣的儀器作為渦輪流量的二次儀表 ,流量值便可直接在二次儀表上讀出。 但由于所采用的設(shè)計方法不一樣 ,渦輪流量計的測試精度是不一樣的。 本文在分析渦輪流量計的基本原理的基礎(chǔ)上 ,提出了一種提高測試精度的方法。

2、渦輪流量計的結(jié)構(gòu)和基本原理：
  渦輪流量計主要由殼體組件、葉輪組件、前后導(dǎo)向組件、壓緊圈和帶放大器的磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換器所組成 ,其結(jié)構(gòu)如圖 1所示。
  渦輪流量計是一種速度式流量儀表。被測流量沖擊葉輪葉片 ,使葉輪旋轉(zhuǎn) ,旋轉(zhuǎn)的速度隨流速變化而變化 ,換句話說 ,葉輪的旋轉(zhuǎn)速度隨流量的變化而變化。由于具有導(dǎo)磁性的葉片周期性地改變磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換器上的磁阻值 ,使通過線圈的磁通量發(fā)生周期性的變化 ,進而在線圈內(nèi)感應(yīng)出脈動電信號。該信號正是葉輪經(jīng)過磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換器的次數(shù)信號。在磁電轉(zhuǎn)換器中 ,該信號得到放大 ,形成正比于葉輪轉(zhuǎn)速的脈沖信號。在測量范圍內(nèi) ,該脈沖信號與流量成正比 ,所以 ,只要測取脈沖信號的頻率 f ,便可得到瞬時流量值 Q( L /s) 即：
　　　Q = f /a ( 1)式中 ,a是渦輪流量計的儀表常數(shù)。

圖 1　 渦輪流量計結(jié)構(gòu)

3、流量測試的主要誤差分析：
  影響渦輪流量計測量精度的一個主要原因 ,是流速分布不均勻和旋流的存在 ,特別是回流影響***大。消除回流的方法是在位于上游的管道內(nèi)裝入整流器。影響渦輪流量計測量精度的另一個主要原因是脈沖信號頻率的測試精度問題。在智能化儀表問世之前 ,測取流量采用普通的頻率計 ,計數(shù)誤差為 ± 1。從流量公式 ( 1) 可知 ,流量的測試誤差為± ( 1 /a) ,當(dāng) f = 10時 ,由計數(shù)誤差 + 1引起的相對誤差為± 0. 1;若 f = 100時由計數(shù)誤差+ 1引起的相對誤差為± 0. 01。頻率 f 越高 ,引起的相對誤差越小。這說明在流量測試的全量程范圍內(nèi) ,流量測量的精度是不等的。若采用“測周法”[1 ], 當(dāng)被測周期較小時其相對誤差大 ,隨著被測周期增大其相對誤差減小 , 同樣產(chǎn)生了全量程范圍內(nèi)流量測量的精度不等的問題。若采用多周期同步測量方法 ,便可能解決上述問題。

4、多周同步測量方法：
4. 1、測量原理：
  多周期同步測量原理與傳統(tǒng)的頻率和周期的測量原理不同 ,它是用被測信號來同步預(yù)置閘門形成一個實際的閘門時間 ,再通過事件計數(shù)值、時間計數(shù)值及時鐘頻率來計算被測頻率 ,其測量原理見圖 2。

圖 2　 多周期同步測量原理框圖
  預(yù)置閘門時間發(fā)生器產(chǎn)生一個預(yù)置閘門時間脈沖 TP ,經(jīng)同步電路與被測信號 f x同步后產(chǎn)生一個實際的閘門時間脈沖 T ,同步電路可由 D型觸發(fā)器組成。事件計數(shù)控制門和時間計數(shù)控制門在實際閘門時間脈沖 T 期間同時被打開。事件計數(shù)器對 f x 被測信號累計得:　n1 = f x T ( 2)時間計數(shù)器對 f 0 時鐘累計得:　n2 = f 0T ( 3)由式 ( 2) 和式 ( 3) 消去 T 得:　 f x =n1n2  f 0 

4. 2、誤差分析：
  多周期同步測量的工作波形如圖 3所示。由于同步電路的作用 ,閘門的開和關(guān)與被測信號同步 ,故實際的閘門時間 T 已不等于預(yù)置的閘門時間 TP ,其大小不是固定的 ,但 T 必定是被測信號f x 的整倍數(shù) , 因此 , 事件計數(shù)器的累計值 n1 已不存在± 1的誤差。又由于時鐘頻率 f 0很高 ,± 1誤差的影響已很小 ,由計算式 ( 4) 可知 , f x 的誤差只與 n2 的誤差有關(guān)而與被測信號的頻率無關(guān) ,在全頻段范圍內(nèi) n2 是固定不變的 ,所以測量精度在全頻段范圍內(nèi)是均衡的。若閘門時間為 0. 5 s, f 0 為20 M Hz,則在全頻段的測量誤差為 10- 7。

圖 3　 多周期同步測量工作波形圖

4. 3、預(yù)置閘門時間的選擇：
  從上述分析可知 ,提高測量精度就是減小 n2的± 1誤差影響 ,即增大 f 0或閘門時間 T。一般情況下 , f 0 是固定的 ,而 T 受預(yù)置閘門時間 TP 的影響。因此 , TP 的選擇必須注意兩點 ,一是不能太小 ,必須使 TP 能包含 f x 的若干周期 (多周期 );二是不能太大 ,即 n2 = f 0 T必須小于計數(shù)器的***大值 , 這是由于 n2 是計數(shù)器的累計值 ,而所有的計數(shù)器都有一個溢出的問題。

5、結(jié)論：
  采取多周期同步測量方法 ,能實現(xiàn)在全頻段范圍內(nèi)等精度測量渦輪流量計的輸出信號 fx ,可以使 f x 的相對誤差小于 10- 7, 甚至更小。與儀表常數(shù) a引起的誤差相比 ,可以忽略不計。這種測量方法 ,比“測頻法” 和“測周法” 都優(yōu)越得多 ,為渦輪式流量測試提供了一種高精度的測量方法。