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涡轮流量计用分段线性化校准提高传感器测量准


文章日期:2018-01-08|阅读数:


摘 要: 根据涡轮流量传感器 f - Qv非线性曲线特点,采用分段线性化的方法,处理涡轮流量传感器 f - Qv拟合曲线,预期达到如下目的: ①提高涡轮流量传感器测量准确度。②扩展涡轮流量传感器在相同精度下的使用范围,减少因校验不合格,使涡轮流量传感器报废而造成的浪费。③这种分段线性化处理方法,可以推广到其它领域的各种非线性传感器线性化处理过程,扩展其测量范围,提高其测量精度。

0、引言:按 JJG1037 - 2008 《涡轮流量计检定规程》要求,线性误差是涡轮流量传感器基本误差的重要组成部分,从实际出发,在重复性满足的情况下,涡轮流量传感器的线性使用范围大大缩小了,这样将减少涡轮流量传感器的使用价值。为此,校准涡轮流量传感器过程中,在重复性满足其误差五分之一的情况下,采用分段线性化的处理方法,不但可以增加涡轮流量传感器的测量范围和测量精度,还可以增加涡轮流量传感器使用价值,对企业来说减少因涡轮流量计检定不合格引起的资源浪费。

1、传感器的线性特性与分段线性化:
1. 1、涡轮流量传感器的线性特性:

  K - Qv特性曲线说明 f - Qv特性曲线全量程存在非线性,特别是高粘度介质,且有一定规律,如图所示 1。
图 1 涡轮流量传感器 K - QV特性曲线

图 1 涡轮流量传感器 K - QV特性曲线
  根据理论分析,涡轮流量传感器 K - QV理想特性曲线是平行于 QV轴的直线,但由于流体粘力特性的影响和叶轮上所受阻力矩作用的结果,实际的特性曲线具有高峰特征,高峰出现在传感器上限流量的 20% ~30% 处,产生高峰特征的原因是: 当流量减小到某一数值 ( 通常为 20% ~ 30% 上限流量) 时,作用于涡轮上的旋转力矩和粘滞阻力矩都相应地减小。但粘滞阻力矩减小更显著,所以涡轮的转速反而提高,特性曲线出现高峰,随着流量的进一步减小,这样使作用在涡轮上的所有阻力矩的影响相对突出,涡轮转速降得快,特性曲线明显下降,相反,当流量增大到超过某一值时,作用在涡轮上的旋转力矩增大,当与阻力矩达到平衡时,特性曲线就显得较平直。
  为了获得高测量准确度,涡轮流量传感器的使用范围应选在特性曲线的线性段。
  另外,被测流体物理特性对涡轮流量传感器线性有影响,其中流体粘度影响***大,这一点必须清楚,由于流体皆具有粘性,使得流体对涡轮产生粘滞阻力距,被测流体的变化,对流量计特性的影响较大,定性的分析,随着流体粘度的增大,对于任意口径的传感器来说,它的线性范围缩小,对一定口径的传感器而言,粘度变化对线性特性曲线的下限流量处影响***大,随着流量的增大影响反而减小。对不同口径的传感器来说,口径越大,粘度变化对线性特性的影响越小,口径越小,影响越大,如图 2 所示。
  由此可以看出,不管什么样的流体介质,粘度对传感器测量的线性特性都有影响,因此,在全量程范围内,按照 JJG1037 - 2008 要求,数字式流量二次仪表只能利用仪表系数 K 的线性段 30% Qmax以上,对于30% Qmax以下重复性好的非线性段,无法使用,大大缩小了涡轮流量计的使用范围,造成资源的浪费。
图 2 粘度对 K - QV线性特性曲线影响V1 > V2 > V3
图 2 粘度对 K - QV线性特性曲线影响V1 > V2 > V3
  为了扩展涡轮流量计的使用范围,可以像图 3 那样,将涡轮流量计流量测量范围分段线性化处理 ( 前提是: 涡轮流量传感器标定时,重复性满足使用精度的五分之一) ,依据涡轮流量计 K - QV理论特性曲线规律,划分成 3 段以上,采用 10 分段或 20 分段的智能流量二次仪表,进行 f - QV变换,即可达到全量程满足使用精度的目的,使用这种分段线性化处理涡轮流量计方法,可以扩展涡轮流量计的测量范围,减少涡轮流量计报废,节约工厂资源。
图 3 涡轮流量传感器 K - QV特性曲线

图 3 涡轮流量传感器 K - QV特性曲线

1. 2、非线性处理方法:
  分段线性化在实际测量数据处理过程中,***小二乘法是线性化数据处理的基石,在非线性化传感器输出过程中,分段线性化处理对传感器全量程输出准确度提高有特殊贡 献。
  实际上,在涡轮流量校准过程中,流体经过涡轮流量传感器将非电量信号———流速 ( V) 转换成电量信号———f ( Hz) 。我们依据实际流量 QV( l/min) 经流量传感器变换成电量信号频率 f ( Hz) 的对应关系,即 f - QV函数关系,进行一元线性回归分析,拟合出涡轮流量传感器 f - QV特性曲线,发现涡轮流量传感器 f - QV曲线与涡轮流量传感器 K - QV特性曲线反映规律特性一致,如图 1 和图 4 对应关系,它具有非线性特点,且在流量 30% Qmax以上具有线性特点,因此,我们可以采用全量程分段线性化处理的方法,每一段采用***小二乘法处理 f 和 QV数据,拟合出 f - QV拟合曲线,如图 4 所示。涡轮流量计分段线性化处理流程图见图 5。
图 4 涡轮流量传感器 f - QV特性曲线示意图

图 4 涡轮流量传感器 f - QV特性曲线示意图
图 5 涡轮流量计分段线性化处理流程图
图 5 涡轮流量计分段线性化处理流程图

2、涡轮流量计分段线性化处理结果评估:
  从理论上讲,分段线性化可适用于所有非线性传感器线性化处理,这种结果风险的关键在于: ①涡轮流量传感器全量程标定,寻找 f - QV实测曲线真实拐点带来的风险。②涡轮流量传感器下限流量复现性带来的风险。只要把握住这两点,基本可控制涡轮流量计分段线性化处理结果的正确性。
  下面是一组实验数据: 2010 年 6 月 24 日用现场流量校准装置 ( YLJZ - 01) 对涡轮流量传感器 LWGY - 4( 编号 090402) 进行校准。用 15 号红油,在 32℃ 条件下,先标定,后校验测量结果。现场标定与验证数据处理结果分别见表 1、表 2。标定与验证曲线见图 6、图 7。表 1 数据表明: 该涡轮流量计重复性***大值为0. 151% ; 表 2 结果表明: 该涡轮流量计重复性为 0,***大示值误差为 - 1. 0% 。
表 1 标定结果

表 1 标定结果
图 6 K - QV标定曲线

图 6 K - QV标定曲线
表 2 验证结果
表 2 验证结果
图 7 QV- f 系统验证曲线

图 7 QV- f 系统验证曲线
以上标定数据和验证数据及图 6、图 7 说明:
① 按 JJG1037 - 2008 要求,满足 1% 误差要求,此涡轮流量计只能用 4. 15843 ~ 5. 69897 ( L/min) 流量线性段 ( 线性度: 0. 83% ,基本误差: 0. 84% ) 。
② 按分段线性化处理,在满足 1% 误差要求,可将涡轮流量计量程扩展到 0. 29588 ~ 5. 13462L/min 量程。

3、总结:
  理论分析和实际测量数据说明: 分段线性化处理方法,在满足其精度要求的前提下,完全可以扩展涡轮流量计的测量范围,并且分段线性化处理方法可以适用于所有传感器非线性段线性化处理。


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