提高涡轮流量计对水泵流量测量精度

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。

表 1　 部分涡轮流量计规格及其测量精度

　 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 Y(次 /L) ,便可求得流量 Q( L /s) ,即Q =fY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 20 Hz到 500 Hz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WW+WW式中W一用涡轮流量计测量流量时的系统误差;  
   W一涡轮流量计精度，选用一定的流量计，其精度也就基本确定;
　Wf—— 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 Wf 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Wf = W± 1个字式中W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 1 s时 ,就是 ± 1 Hz,相对误差为 ±1f× 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 = 10 Hz时 ,相对误差为 10% ,将标准时间延长为 10 s,其相对误差仍有 1% ,即使在大流量时 ,如 f = 500 Hz时 ,其相对精度

图 1　 涡轮流量计结构
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：
  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个脉冲来决定。即 t = t1+ Δt,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f =m1N   t=m 1N   m 2   T0=f 0   m1N   m2( 1)式中 N—— 叶轮每转发出的脉冲数。如图 2所示 ,测量时 ,当 8253初始化之后 ,三个定时器的输出端 OUT0～ OUT2置零 ,使D1 = 0, D2 = 0。首先 P1. 5 = 0,则 P R1 = 0, Q1 = 1, Q1 = 0, 8253的三个定时器门控端 G0 =G1 = G2 = 0,禁止三个计数器工作。

图 2　 测频计数 —— 测周计脉冲法测量原理图
  P1.5 = 0的同时 ,还使CLR2 = 0, Q2 = 0, Q2 = 1,使 8031的外部中断输入端 IN T = 1,则不向单片机提出中断申请。
  P1. 5 = 1,启动 8253。P R1 = 1, D1 = 0,涡轮流量计脉冲接 D触发器的时钟端 CP1 和 CP2 ,涡轮流量计旋转后 ,输出脉冲打入两个 D触发器 ,使 Q1 = 0,Q1 = 1,使 G0 = G1 = G2 = 1,三个定时器开始计数。C L R2 = 1,因 D2 = 0,使 Q2 = 0, Q2 = 1,仍然不提出外部中断申请。
  当 8253定时器 0的定时时间为 t1时 ,输出端 OUT0 = 1,使 D1 = D2 = 1。D1 = 1,直到下一个流量计输出脉冲打入后 , D触发器再传送一次 D1 = 1,使 Q1 = 0,三个定时器的控制端为零 ,同时停止计数。
  D2 = 1,同理使 Q2 = 0, IN T = 0, 8253向单片机提出外部中断申请 ,在外部中断服务程序内读出 8253定时器 1和定时器 2的计数值 m1 和 m2,由式 ( 1) 计算出频率 f。
  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 f 0 很高 ,在一个信号周期内 , ± 1个字的误差为ff 0,若 f 0 = 1 M Hz,在小流量 ( f = 10 Hz) 时 ,相对误差为 0. 001% ; 大流量 ( f = 5 00 Hz) 时 ,其相对误差为 0.05 % 。因此 ,频率测量误差 Wf 相对 WW 和 W为微小误差 ,可以忽略其影响。

　 4、结论：
      采用测频计数一一测周计脉冲法与目前则频计数法相比，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。

表2改进前后涡轮流量计对水泵流量测量的误差比较
    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。