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基于多周期同步测量的涡轮式流量测试研究


文章日期:2018-04-14|阅读数:


摘 要: 涡轮流量计是泵试验中常用的流量测试仪表之一。 文章在讨论涡轮流量计的结构和基本原理的基础上 ,分析了“测频法”和“测周法”流量测试方法存在的精度不等的问题 ,提出了多周期同步测量技术在涡轮式流量测试中的应用 ,从而进一步提高了流量测试精度。

1、引言:
  流量是泵试验中的一个重要的测试参数。 涡轮流量计是***常见的流量测试仪表 ,***初的二次仪表是频率计 ,经过人工换算后求出流量值。随着微处理器向体积小、功能强、价格低等方面的进一步发展 ,电子测量与仪器和计算机技术结合就越加紧密 ,形成了一种全新的微机化仪器—— 智能仪器 ,用这样的仪器作为涡轮流量的二次仪表 ,流量值便可直接在二次仪表上读出。 但由于所采用的设计方法不一样 ,涡轮流量计的测试精度是不一样的。 本文在分析涡轮流量计的基本原理的基础上 ,提出了一种提高测试精度的方法。

2、涡轮流量计的结构和基本原理:
  涡轮流量计主要由壳体组件、叶轮组件、前后导向组件、压紧圈和带放大器的磁电感应转换器所组成 ,其结构如图 1所示。
  涡轮流量计是一种速度式流量仪表。被测流量冲击叶轮叶片 ,使叶轮旋转 ,旋转的速度随流速变化而变化 ,换句话说 ,叶轮的旋转速度随流量的变化而变化。由于具有导磁性的叶片周期性地改变磁电感应转换器上的磁阻值 ,使通过线圈的磁通量发生周期性的变化 ,进而在线圈内感应出脉动电信号。该信号正是叶轮经过磁电感应转换器的次数信号。在磁电转换器中 ,该信号得到放大 ,形成正比于叶轮转速的脉冲信号。在测量范围内 ,该脉冲信号与流量成正比 ,所以 ,只要测取脉冲信号的频率 f ,便可得到瞬时流量值 Q( L /s) 即:
   Q = f /a ( 1)式中 ,a是涡轮流量计的仪表常数。
图 1  涡轮流量计结构
图 1  涡轮流量计结构

3、流量测试的主要误差分析:
  影响涡轮流量计测量精度的一个主要原因 ,是流速分布不均匀和旋流的存在 ,特别是回流影响***大。消除回流的方法是在位于上游的管道内装入整流器。影响涡轮流量计测量精度的另一个主要原因是脉冲信号频率的测试精度问题。在智能化仪表问世之前 ,测取流量采用普通的频率计 ,计数误差为 ± 1。从流量公式 ( 1) 可知 ,流量的测试误差为± ( 1 /a) ,当 f = 10时 ,由计数误差 + 1引起的相对误差为± 0. 1;若 f = 100时由计数误差+ 1引起的相对误差为± 0. 01。频率 f 越高 ,引起的相对误差越小。这说明在流量测试的全量程范围内 ,流量测量的精度是不等的。若采用“测周法”[1 ], 当被测周期较小时其相对误差大 ,随着被测周期增大其相对误差减小 , 同样产生了全量程范围内流量测量的精度不等的问题。若采用多周期同步测量方法 ,便可能解决上述问题。

4、多周同步测量方法:
4. 1、测量原理:

  多周期同步测量原理与传统的频率和周期的测量原理不同 ,它是用被测信号来同步预置闸门形成一个实际的闸门时间 ,再通过事件计数值、时间计数值及时钟频率来计算被测频率 ,其测量原理见图 2。
图 2  多周期同步测量原理框图
图 2  多周期同步测量原理框图
  预置闸门时间发生器产生一个预置闸门时间脉冲 TP ,经同步电路与被测信号 f x同步后产生一个实际的闸门时间脉冲 T ,同步电路可由 D型触发器组成。事件计数控制门和时间计数控制门在实际闸门时间脉冲 T 期间同时被打开。事件计数器对 f x 被测信号累计得: n1 = f x T ( 2)时间计数器对 f 0 时钟累计得: n2 = f 0T ( 3)由式 ( 2) 和式 ( 3) 消去 T 得:  f x =n1n2  f 0 

4. 2、误差分析:
  多周期同步测量的工作波形如图 3所示。由于同步电路的作用 ,闸门的开和关与被测信号同步 ,故实际的闸门时间 T 已不等于预置的闸门时间 TP ,其大小不是固定的 ,但 T 必定是被测信号f x 的整倍数 , 因此 , 事件计数器的累计值 n1 已不存在± 1的误差。又由于时钟频率 f 0很高 ,± 1误差的影响已很小 ,由计算式 ( 4) 可知 , f x 的误差只与 n2 的误差有关而与被测信号的频率无关 ,在全频段范围内 n2 是固定不变的 ,所以测量精度在全频段范围内是均衡的。若闸门时间为 0. 5 s, f 0 为20 M Hz,则在全频段的测量误差为 10- 7。
图 3  多周期同步测量工作波形图

图 3  多周期同步测量工作波形图

4. 3、预置闸门时间的选择:
  从上述分析可知 ,提高测量精度就是减小 n2的± 1误差影响 ,即增大 f 0或闸门时间 T。一般情况下 , f 0 是固定的 ,而 T 受预置闸门时间 TP 的影响。因此 , TP 的选择必须注意两点 ,一是不能太小 ,必须使 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必须小于计数器的***大值 , 这是由于 n2 是计数器的累计值 ,而所有的计数器都有一个溢出的问题。

5、结论:
  采取多周期同步测量方法 ,能实现在全频段范围内等精度测量涡轮流量计的输出信号 fx ,可以使 f x 的相对误差小于 10- 7, 甚至更小。与仪表常数 a引起的误差相比 ,可以忽略不计。这种测量方法 ,比“测频法” 和“测周法” 都优越得多 ,为涡轮式流量测试提供了一种高精度的测量方法。


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