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涡轮流量计校准结果数据处理与分析
发布日期:2020/6/30 17:25:00
涡轮流量计是一种速度式流量仪表,由于具有测量精度高、反应速度快、测量范围广、价格低廉、安装方便等优点,在航空燃油、液压油等流体测量中被广泛使用,然而,在实际工作中,按照《涡轮流量计检定规程》进行检测,由于介质粘度作用增大,影响涡轮流量计线性,出现较大的测量偏差,直接影响产品交付。本文结合工作中实际情况,探讨了采用ZUI小二乘法进行测量数据处理,减小涡轮流量计测量误差,满足产品测量要求。
 
1.概述及原理
涡轮流量计可以用于测量各种气体、液体等流体的累积流量和瞬时流量。工作时被测流体冲击涡轮叶片使涡轮旋转,涡轮的转速随流量的变化而变化,即流量大,涡轮的转速也大,再经磁电转换装置把涡轮的转速转换为相应频率的电脉冲,经前置放大器放大后,送入显示仪表进行计数和显示,根据单位时间内的脉冲数和累计脉冲数即可求出瞬时流量和累积流量。
涡轮流量计的工作原理:当流体沿着管道的轴线方向流动,并冲击涡轮叶片时,便有与流量qv、流速V和流体密度ρ乘积成比例的力作用在叶片上,推动涡轮旋转。在涡轮旋转的同时,叶片周期性地切割电磁铁产生的磁力线,改变线圈的磁通量。根据电磁感应原理,在线圈内将感应出脉动的电势信号,此脉动信号的频率与被测流体的流量成正比。
 
2.涡轮流量计的构造与测量过程
涡轮流量计一般由导流器、涡轮叶片、轴承、前置放大器、显示仪表组成,以实现流量测量的目的,如图1所示。
流体经过涡轮流量计后,涡轮流量计测量输出的脉冲信号,经前置放大器放大后,送入显示仪表,就可以实现流量的测量。显示仪表接收的就是频率信号(脉冲),然后进行计算得到瞬时流量和累积流量。
涡轮流量计工作流量和频率成一定比例关系,根据《涡轮流量计检定规程》要求,在每只涡轮流量计进行检定后会根据有关公式计算出该涡轮流量计的流量系数K值,使用时将K值置入数字显示仪表,显示仪表在接收到脉冲信号时,会根据K值进行运算得到实测流体流量。运算公式如下:
K=(Kmax+Kmin)/2
E=(Kmax-Kmin)/(Kmax+Kmin)×100%
式中:K为平均流量系数;E为涡轮流量计ZUI大示值误差;Kmax为流量范围内各检定点得到的系数中ZUI大值;Kmin为流量范围内各检定点得到的系数中ZUI小值涡轮流量计K-qv特性曲线如图2所示。

 
3.涡轮流量计的校准结果处理
在实际工作中,根据《涡轮流量计检定规程》中给出的平均仪表系数和示值ZUI大误差的计算方法,高粘度介质测量时往往会造成很大的测量误差,影响产品的验收。但是经过对数据的分析,使用ZUI小二乘法进行曲线拟合,找到曲线A、B值,将A、B值再置入显示仪表,实际测量结果与标准流量偏差会减小,可以保证测量结果的准确性。为了分析不同的测量结果数据处理方法对实际测量影响,选取仪表公司生产的LWGY40型涡轮流量计,于2015年3月9日,用4050号航空润滑油(粘度27.74×10的-6m2/s)为介质,在国防4113二级计量站进行了测试。
1)使用K系数法结果如表1所示,标准流量、K系数法实际显示流量与频率的散点图如图3所示
K=(Kmax+Kmin)/2=(1523.9+1037.3)/2=12380.6
E=(Kmax-Kmin)/(Kmax+Kmin)×100%=(1523.9-1037.3)/(1523.9+1037.3)×100%=18.9%

从图3可以看出,根据仪表K系数进行设置后,实际使用时流量显示与标准流量之间有较大差异,说明该方法测量结果偏离真实结果较大,也就是测量误差大。通过计算也可以看到,将平均仪表系数置入仪表中,会造成18.9%的测量误差。
2)使用ZUI小二乘法结果如表2所示,根据测试数据,使用 MINTAB软件进行处理,可以做出频率与ZUI小二乘法显示流量的曲线图(如图4所示),得到曲线的A、B值。根据曲线方程计算得到实际显示流量,标准流量、ZUI小二乘法实际显示流量与频率的散点图如图5所示。
图5是标准流量、ZUI小二乘法实际显示流量与频率的散点图,从图上可以看出,根据仪表ZUI小二乘法设置A、B后,实际使用时流量显示与标准流量之间差异很小,说明该方法测量结果偏离真实结果较小,也就是测量误差较小。
3)将以上两种方法的实际流量测量数据与标准流量数据进行拟合,使用 MIINTAB软件进行处理,作散点图如图6所示。
由图6可知,ZUI小二乘法流量曲线与标准流量曲线基本重合,说明流量偏差很小;K系数法流量曲线与标准流量曲线随着频率的增大差异也越大,说明流量偏差也越大。
根据以上的数据分析,涡轮流量计实际工作中对于高粘度介质进行流量测量时,使用最小二乘法数据处理的方法更科学,更能准确进行流量测量。虽然根据JJG1037-2008的要求,需要使用K系数法,但一般在产品的出厂说明书中会明确指出,实际测量介质与出厂介质不同或粘度差异较大时,需要使用实际介质进行标定。
 
4.小结
涡轮流量计虽然具有测量精度高、反应速度快、测量范围广、价格低廉、安装方便等优点,但是涡轮流量计并不是可以适用于任何流体、任何场合、各种条件下的流体测量。对较高粘度介质进行测量时,需要按实测介质条件进行标定,并且选择ZUI小二乘法拟合公式进行数据处理,将拟合公式的A、B值置人对应仪表即可得到很好的测量效果。