摘要:根據(jù)渦輪流量傳感器f-v.非線性曲線特點(diǎn),采用分段線性化的方法,處理渦輪流量傳感器ƒ-Qv擬合曲線,預(yù)期達(dá)到如下目的:①提高渦輪流量傳感器測量精度。②擴(kuò)展渦輪流量傳感器在相同精度下的使用范圍,減少因校驗(yàn)不合格,使渦輪流量傳感器報(bào)廢而造成的浪費(fèi)。③這種分段線性化處理方法,可以推廣到其它領(lǐng)域的各種非線性傳感器線性化處理過程,擴(kuò)展其測量范圍,提高其測量精度。
0引言
按JJG1037-2008(渦輪流量計(jì)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(shí)際出發(fā),在重復(fù)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(jià)值。
為此,校準(zhǔn)渦輪流量傳感器過程中,在重復(fù)性滿足其誤差五分之-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(jià)值,對企業(yè)來說減少因渦輪流量計(jì)檢定不合格引起的資源浪費(fèi)。
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。
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(shí)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(dāng)流量減小到某一數(shù)值(通常為20%~30%上限流量)時(shí),作用于渦輪上的旋轉(zhuǎn)力矩和粘滯阻力矩都相應(yīng)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(jìn)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(dāng)流量增大到超過某--值時(shí),作用在渦輪上的旋轉(zhuǎn)力矩增大，當(dāng)與阻力矩達(dá)到平衡時(shí),特性曲線就顯得較平直。
為了獲得高測量精度，渦輪流量傳感器的使用范圍應(yīng)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(diǎn)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(jì)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J(rèn)JG1037-2008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(fù)性好的非線性段,無法使用,大大縮了渦輪流量計(jì)的使用范圍,造成資源的浪費(fèi)。
為了擴(kuò)展渦輪流量計(jì)的使用范圍,可以像圖3那樣，將渦輪流量計(jì)流量測量范圍分段線性化處理(前提是:渦輪流量傳感器標(biāo)定時(shí),重復(fù)性滿足使用精度的五分之--)，依據(jù)渦輪流量計(jì)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=_次儀表，進(jìn)行ƒ-Qv變換,即可達(dá)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(jì)方法,可以擴(kuò)展渦輪流量計(jì)的測量范圍,減少渦輪流量計(jì)報(bào)廢,節(jié)約工廠資源。.
1.2非線性處理方法:分段線性化
在實(shí)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精度提高有特殊貢獻(xiàn)。
實(shí)際上，在渦輪流量校準(zhǔn)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)換成電量信號一ƒ(Hz)。我們依據(jù)實(shí)際流量Qv(l/min)經(jīng)流量傳感器變換成電量信號頻率ƒ(Hz)的對應(yīng)關(guān)系,即ƒ-Qv函數(shù)關(guān)系,進(jìn)行-元線性回歸分析,擬合出渦輪流量傳感器ƒ-Qv特性曲線,發(fā)現(xiàn)渦輪流量傳感器ƒ-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(yīng)關(guān)系，它具有非線性特點(diǎn),且在流量30%Qmax以上具有線性特點(diǎn)，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ƒ和Qv數(shù)據(jù),擬合出ƒ-Qv擬合曲線,如圖4所示。渦輪流量計(jì)分段線性化處理流程圖見圖5。
2渦輪流量計(jì)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(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵在于:①渦輪流量傳感器全量程標(biāo)定,尋找ƒ-Qv實(shí)測曲線真實(shí)拐點(diǎn)帶來的風(fēng)險(xiǎn)。②渦輪流量傳感器下限流量復(fù)現(xiàn)性帶來的風(fēng)險(xiǎn)。只要把握住這兩點(diǎn),基本可控制渦輪流量計(jì)分段線性化處理結(jié)果的正確性。
下面是一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù):2010年6月24日用現(xiàn)場流量校準(zhǔn)裝置(YIJZ-01)對渦輪流量傳感器LWGY-4(編號090402)進(jìn)行校準(zhǔn)。用15號紅油，在32℃條件下,先標(biāo)定，后校驗(yàn)測量結(jié)果。現(xiàn)場標(biāo)定與驗(yàn)證數(shù)據(jù)處理結(jié)果分別見表1、表2。標(biāo)定與驗(yàn)證曲線見圖6、圖7。表1數(shù)據(jù)表明:該渦輪流量計(jì)重復(fù)性最大值為0.151%;表2結(jié)果表明:該渦輪流量計(jì)重復(fù)性為0,最大示值誤差為-1.0%。
以上標(biāo)定數(shù)據(jù)和驗(yàn)證數(shù)據(jù)及圖6、圖7說明:
①按JJC1037-2008要求,滿足1%誤差要求，此渦輪流量計(jì)只能用4.15843~5.69897(L/min)流量線性段(線性度:0.83%,基本誤差:0.84%)。
②按分段線性化處理,在滿足1%誤差要求，可將渦輪流量計(jì)量程擴(kuò)展到0.29588~5.13462L/min量程。
3總結(jié)
理論分析和實(shí)際測量數(shù)據(jù)說明:分段線性化處理方法,在滿足其精度要求的前提下,完全可以擴(kuò)展渦輪流量計(jì)的測量范圍，并且分段線性化處理方法可以適用于所有傳感器非線性段線性化處理。
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