分段線性化在渦輪流量計校準工作中的應用

2013-12-10 07:16:40雷天人蒲文濤

計測技術(shù) 2013年1期

雷天人，蒲文濤

(西安航空動力控制科技有限公司，陜西西安710077)

0 引言

按JJG1037 －2008 《渦輪流量計檢定規(guī)程》要求，線性誤差是渦輪流量傳感器基本誤差的重要組成部分，從實際出發(fā)，在重復性滿足的情況下，渦輪流量傳感器的線性使用范圍大大縮小了，這樣將減少渦輪流量傳感器的使用價值。

為此，校準渦輪流量傳感器過程中，在重復性滿足其誤差五分之一的情況下，采用分段線性化的處理方法，不但可以增加渦輪流量傳感器的測量范圍和測量精度，還可以增加渦輪流量傳感器使用價值，對企業(yè)來說減少因渦輪流量計檢定不合格引起的資源浪費。

1 傳感器的線性特性與分段線性化

1.1 渦輪流量傳感器的線性特性

K－Qv特性曲線說明f －Qv特性曲線全量程存在非線性，特別是高粘度介質(zhì)，且有一定規(guī)律，如圖所示1。

圖1 渦輪流量傳感器K－QV 特性曲線

根據(jù)理論分析，渦輪流量傳感器K －QV理想特性曲線是平行于QV軸的直線，但由于流體粘力特性的影響和葉輪上所受阻力矩作用的結(jié)果，實際的特性曲線具有高峰特征，高峰出現(xiàn)在傳感器上限流量的20% ～30%處，產(chǎn)生高峰特征的原因是:當流量減小到某一數(shù)值(通常為20% ～30%上限流量)時，作用于渦輪上的旋轉(zhuǎn)力矩和粘滯阻力矩都相應地減小。但粘滯阻力矩減小更顯著，所以渦輪的轉(zhuǎn)速反而提高，特性曲線出現(xiàn)高峰，隨著流量的進一步減小，這樣使作用在渦輪上的所有阻力矩的影響相對突出，渦輪轉(zhuǎn)速降得快，特性曲線明顯下降，相反，當流量增大到超過某一值時，作用在渦輪上的旋轉(zhuǎn)力矩增大，當與阻力矩達到平衡時，特性曲線就顯得較平直。

為了獲得高測量準確度，渦輪流量傳感器的使用范圍應選在特性曲線的線性段。

另外，被測流體物理特性對渦輪流量傳感器線性有影響，其中流體粘度影響最大，這一點必須清楚，由于流體皆具有粘性，使得流體對渦輪產(chǎn)生粘滯阻力距，被測流體的變化，對流量計特性的影響較大，定性的分析，隨著流體粘度的增大，對于任意口徑的傳感器來說，它的線性范圍縮小，對一定口徑的傳感器而言，粘度變化對線性特性曲線的下限流量處影響最大，隨著流量的增大影響反而減小。對不同口徑的傳感器來說，口徑越大，粘度變化對線性特性的影響越小，口徑越小，影響越大，如圖2 所示。

由此可以看出，不管什么樣的流體介質(zhì)，粘度對傳感器測量的線性特性都有影響，因此，在全量程范圍內(nèi)，按照JJG1037 －2008 要求，數(shù)字式流量二次儀表只能利用儀表系數(shù)K 的線性段30%Qmax以上，對于30%Qmax以下重復性好的非線性段，無法使用，大大縮小了渦輪流量計的使用范圍，造成資源的浪費。

圖2 粘度對K－QV 線性特性曲線影響V1 ＞V2 ＞V3

為了擴展渦輪流量計的使用范圍，可以像圖3 那樣，將渦輪流量計流量測量范圍分段線性化處理(前提是:渦輪流量傳感器標定時，重復性滿足使用精度的五分之一)，依據(jù)渦輪流量計K －QV理論特性曲線規(guī)律，劃分成3 段以上，采用10 分段或20 分段的智能流量二次儀表，進行f －QV變換，即可達到全量程滿足使用精度的目的，使用這種分段線性化處理渦輪流量計方法，可以擴展渦輪流量計的測量范圍，減少渦輪流量計報廢，節(jié)約工廠資源。

圖3 渦輪流量傳感器K－QV 特性曲線

1.2 非線性處理方法:分段線性化

在實際測量數(shù)據(jù)處理過程中，最小二乘法是線性化數(shù)據(jù)處理的基石，在非線性化傳感器輸出過程中，分段線性化處理對傳感器全量程輸出準確度提高有特殊貢獻。

實際上，在渦輪流量校準過程中，流體經(jīng)過渦輪流量傳感器將非電量信號——流速(V)轉(zhuǎn)換成電量信號——f (Hz)。我們依據(jù)實際流量QV(l/min)經(jīng)流量傳感器變換成電量信號頻率f (Hz)的對應關(guān)系，即f－QV函數(shù)關(guān)系，進行一元線性回歸分析，擬合出渦輪流量傳感器f －QV特性曲線，發(fā)現(xiàn)渦輪流量傳感器f－QV曲線與渦輪流量傳感器K －QV特性曲線反映規(guī)律特性一致，如圖1 和圖4 對應關(guān)系，它具有非線性特點，且在流量30%Qmax以上具有線性特點，因此，我們可以采用全量程分段線性化處理的方法，每一段采用最小二乘法處理f 和QV數(shù)據(jù)，擬合出f －QV擬合曲線，如圖4 所示。渦輪流量計分段線性化處理流程圖見圖5。

圖4 渦輪流量傳感器f－QV 特性曲線示意圖

圖5 渦輪流量計分段線性化處理流程圖

2 渦輪流量計分段線性化處理結(jié)果評估

從理論上講，分段線性化可適用于所有非線性傳感器線性化處理，這種結(jié)果風險的關(guān)鍵在于:①渦輪流量傳感器全量程標定，尋找f －QV實測曲線真實拐點帶來的風險。②渦輪流量傳感器下限流量復現(xiàn)性帶來的風險。只要把握住這兩點，基本可控制渦輪流量計分段線性化處理結(jié)果的正確性。

下面是一組實驗數(shù)據(jù):2010 年6 月24 日用現(xiàn)場流量校準裝置(YLJZ－01)對渦輪流量傳感器LWGY－4(編號090402)進行校準。用15 號紅油，在32℃條件下，先標定，后校驗測量結(jié)果。現(xiàn)場標定與驗證數(shù)據(jù)處理結(jié)果分別見表1、表2。標定與驗證曲線見圖6、圖7。表1 數(shù)據(jù)表明:該渦輪流量計重復性最大值為0.151%;表2 結(jié)果表明:該渦輪流量計重復性為0，最大示值誤差為－1.0% 。