分段线性化在涡轮流量计校准工作中的应用

2013-12-10雷天人蒲文涛

计测技术 2013年1期

关键词：线性化量程涡轮

雷天人，蒲文涛

(西安航空动力控制科技有限公司，陕西西安710077)

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

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，其中流体粘度影响最大，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最大，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

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

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，最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，每一段采用最小二乘法处理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最大值为0.151%;表2 结果表明:该涡轮流量计重复性为0，最大示值误差为－1.0% 。