在理想狀況下，某一渦輪流量計的儀表系數(shù)在穩(wěn)態(tài)條件下，應是一定值。然而，在實際測量過程中，渦輪流量計的儀表系數(shù) K 會隨著溫度、壓力、介質(zhì)粘度、量程等不同實驗工況的變化而產(chǎn)生數(shù)值波動；同時，不可忽視的是，隨著使用時間的增加，流量計必然會出現(xiàn)因介質(zhì)、環(huán)境、部件腐蝕以及磨損造成的儀表系數(shù)的波動，使得測量結(jié)果大受影響，偏離實際值。因此，在流量計使用的整個周期中，需對其進行定期地校準[15]。實際工程應用中，每一個出廠的渦輪流量計都會由廠家對其進行標定，方便用戶的使用。 
  流量計的校準，顧名思義，就是對產(chǎn)生變化的流量計儀表系數(shù)進行重新的設定，以滿足測量的需要。流量計校準的普遍原理是將被校流量計的顯示流量與標準流量進行對比，利用式 1.1 得到新的儀表系數(shù) Knew代替原儀表系數(shù) K。根據(jù)標準流量產(chǎn)生的不同方式，把流量計的校準方法分為三大類，即質(zhì)量法、容積法和標準儀表法[16]。

式中，Ks是靜態(tài)儀表系數(shù)；Q 是流量計顯示流量；?是流量計折合轉(zhuǎn)動頻率；Kd是動態(tài)儀表系數(shù)。 

  動態(tài)校準渦輪流量計的方法是用動態(tài)流量去激勵它，而后利用流量計的動態(tài)響應曲線，求出動態(tài)儀表系數(shù)。如前所述，渦輪流量計的動態(tài)模型是一個一階非線性方程，為了對其進行解析分析，首先需要對其進行線性化。注意到，當 Q 在極短時間內(nèi)過渡到穩(wěn)態(tài)值時，可將其視作一個定值，式(1.3)也就可以視為線性方程，其解為 

　　國內(nèi)外研究現(xiàn)狀：

 

　　渦輪流量計經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)深入到生活與工業(yè)生產(chǎn)的各個層面。國內(nèi)外的研究者對它的特性展開了深入的仿真和試驗研究。

 

　　粘度效應是影響渦輪流量計性能的一個重要因素，但是粘度效應的流體動力學機理并未被完全揭示。Suna  Guo[20]等通過多粘度(粘度范圍：1.0×10-6m2/s~112×10-6m2/s)實驗得到渦輪流量計的儀表系數(shù)和線性誤差隨粘度變化的曲線。這些曲線表明，隨著流體介質(zhì)粘度的增加平均儀表系數(shù)值呈下降的趨勢，而線性誤差則跟隨粘度的升高而增大。此外，還通過 CFD 仿真分析了渦輪流量計內(nèi)部的三維流場狀況，證明了：流體的粘度變化會導致前導向器葉片后的尾流的改變，同時渦輪轉(zhuǎn)子葉片前的流動速度場也會發(fā)生改變，繼而影響轉(zhuǎn)子葉片上的壓力分布，***終影響到流量計的性能。該研究對于流量計動態(tài)校準具有一定的指導意義，即，在流量計校準時，應選擇與實際應用時物理性質(zhì)相同的流體介質(zhì)，不同的流體介質(zhì)會導致儀表系數(shù)的校準出現(xiàn)系統(tǒng)誤差[21]。與液體流量計相比，渦輪流量計在低密度流體(如氣體)中的動態(tài)響應得到了更好的認識并且對誤差校正有著系統(tǒng)全面的方法。B. Lee，R. Cheesewright 和 C. Clark[22]等人通過實驗探究了小量程液體渦輪流量計的動態(tài)響應。實驗結(jié)果表明，雖然液體流量計和氣體流量計存在著脈動頻率和脈動幅值的差異，但是液體渦輪流量計和氣體渦輪流量計遵從著類似的誤差產(chǎn)生機制，可以應用相似的誤差校正機制進行誤差的修正。該研究對于本文探究小量程渦輪流量計的動態(tài)校準具有指導意義，尤其在誤差分析方面。

 

　　李春輝和李鵬[23]研究了雷諾數(shù)對渦輪流量計儀表系數(shù)的影響。通過實驗表明了在相同流量的不同壓力下，同一渦輪流量計的示值誤差超過 0.4%，依據(jù)渦輪流量計的物理模型，基于雷諾數(shù)采用曲線擬合的方法對不同壓力下渦輪流量計的測試結(jié)果進行了分析與評估，并得到相應的不確定度，該不確定度約為 0.3%(k=2)。此項研究表明，為了通過校準獲得的儀表系數(shù)，要在實驗前對管路流體的流動狀態(tài)進行分析，以保證在校準和實際使用時渦輪流量計置于相同的流動條件中，避免因此產(chǎn)生的誤差。

 

　　M.  Islam[24]等人研究了斜向速度場對渦輪流量計性能的影響。渦輪流量計的性能很大程度上取決于流量計上游流體介質(zhì)的流動情況、流體性質(zhì)和渦輪轉(zhuǎn)子的幾何參數(shù)?；诖?，作者研究了斜向速度場對線性流動范圍的下限、可用范圍、儀表系數(shù)以及流量計造成的壓降的影響。實驗通過流量計上游四倍管徑處的閘閥產(chǎn)生斜向的速度場。結(jié)果表明，速度場的小幅度傾斜不會對儀表系數(shù)造成影響，但是大幅度的斜向速度場會使儀表系數(shù)產(chǎn)生劇變。為了解決斜向速度場對流量計儀表系數(shù)的影響，在流量計上游設置了三種整流器。經(jīng)實驗驗證，十葉片平板整流器的整流效果***好，可以將儀表系數(shù)的波動控制在標準值的±1.25%之內(nèi)。

 

　　以上是對渦輪流量計的特性的研究成果，充分了解渦輪流量計的性能是對其進行校準的必要條件。下面將介紹國內(nèi)外對流量計的校準方法開展的研究，以期對本文提出的動態(tài)校準系統(tǒng)起到啟示的作用。

 

　　Yong Luo[25]等人通過對液體流動狀態(tài)以及現(xiàn)場校準試驗數(shù)據(jù)的分析，推導出流量計的非線性模型，將曲線擬合法應用到超聲波流量計的校準中，這種方法不僅提高了校準的精度，而且大大減少了工作量及計算復雜性。類似的，Yan  Yi[26]等針對傳統(tǒng)的渦街流量計校準方法中不考慮流量計特性曲線的非線性性會導致很大的校準誤差，提出了一種智能***優(yōu)化算法——首先，利用 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡算法為渦街流量計的特性曲線建模；然后，運用基因算法在特性曲線間斷點自動尋找兩個附加***優(yōu)校準點；***終在新的校準點對流量計進行校準。該方法的運用大大減小了校準誤差和測量誤差。J. Aguilera[27]對動態(tài)條件下液體流量計的校準有著深刻的認識，提出了一種基于動態(tài)稱重法的校準方法。校準過程中存在著流體的內(nèi)力和稱重系統(tǒng)的內(nèi)力，該校準方法建立在對這兩種相互作用力的充分分析之上。此方法的有效性已經(jīng)通過試驗得到驗證。但是這種校準試驗系統(tǒng)龐大，原理復雜，通用性不強。來自美國 NASA 的 Grady  H.  Stevens[28]證明了渦輪流量計的顯示流量和實際流量之間存在一階滯后的關系，提出了采用高精度壓差式流量計來校準渦輪流量計。并嘗試對流體施加以正弦擾動，欲通過此方法對渦輪流量計進行動態(tài)校準。這種校準方法可以看作是標準儀表法的一種，具有簡易，可操作性強，重復性高等特點，但校準精度不高，而且在現(xiàn)今的渦輪流量計生產(chǎn)制造水平下，渦輪流量計的精度已大大超過了壓差式流量計，這種校準方法變得并不可行。R. C. Baker[29]等基于流量計生產(chǎn)過程的實際需要，設計了一種電子校準系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過油泵驅(qū)動液體流過被校流量計，使用上位機軟件計算流量，并與流量計的顯示流量進行計較。該校準方法屬于容積法，校準精度尚可，但不可避免存在噪聲擾動。R. Engel 和 H-J Baade 指出，在渦輪流量計校準的過程中，流體介質(zhì)的密度是造成測量不確定度的主要因素之一。因而，在校準過程中介質(zhì)密度的確定對測量不確定的分析來說是必不可少的。于此同時，指出了兩種密度相關效應——一是校準時管道溫度和介質(zhì)溫度不同的話，可能因為他們自身熱膨脹系數(shù)的差異而導致校準結(jié)果存在系統(tǒng)誤差；二是噪聲干擾是任何一個校準系統(tǒng)不可避免的問題[30,31]。

 

　　如 1.2 節(jié)，為了對流量計進行動態(tài)校準，必須在幾十毫秒時間內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的階躍激勵流。不難想象，在如此短的時間內(nèi)，讓流體介質(zhì)克服各種摩擦力，阻尼和慣性，快速完成加速過程，是很困難的。殳偉群等提出了一種利用電磁機構(gòu)控制的頂針裝置，即用一剛性極大直徑很小的頂針裝置，伸進或抽出渦輪流量計葉片空檔，用來控制葉片的轉(zhuǎn)動與否。渦輪流量計是一種速度式儀表，對應于體積流的響應。這種方法可以看成是一種體積流階躍法，此方法讓渦輪流量計轉(zhuǎn)子葉片直接和頂針裝置接觸，對葉片造成一定的損傷。

 

　　殳偉群[32]還提出過一種用正弦脈動流動態(tài)校準渦輪流量計的方法——在流量計所在的主油路旁添加一副油路，用一機械機構(gòu)，可以是往復活塞或者是旋轉(zhuǎn)葉片，利用其機械運動產(chǎn)生具有正弦特征的激勵流量。將此正弦流疊加到主油路的穩(wěn)態(tài)流中。通過此方法也可將式(1.3)線性化，***后的問題歸結(jié)為求一階線性方程的截止頻率。但是這種方法有其局限性：在改變脈動流頻率的過程中，雖然可以保證擾動產(chǎn)生裝置(往復活塞或旋轉(zhuǎn)葉片)的運動幅度恒定不變。但是由于連續(xù)擾動源和流量計的管路具有流阻流容和相應的低通特性，無法保證擾動流量在到達流量計入口截面時，其幅度仍然是不變的。產(chǎn)生的后果可能是得出的截止頻率并不是流量計的截止頻率，而是流量計和脈動源出口至流量計入口管段構(gòu)成的系統(tǒng)的截止頻率。

 

　　注意到，時間常數(shù) τ=Kd/Q=1/K1K3ρv(K1、K3均為與流量計相關常數(shù))，與其說決定渦輪流量計階躍過程時間長短是體積流，不如說是質(zhì)量流。通過介  質(zhì)密度的瞬變可以達到質(zhì)量流的階躍，而不是通過流體速度的瞬變實現(xiàn)體積流的階躍。具體實現(xiàn)方法是：在同一試驗管道里分割兩個試驗段，前段是空氣，后段是液體介質(zhì)。先由空氣推動渦輪流量計轉(zhuǎn)動，接著打開閥門液體流入實現(xiàn)渦輪流量計進口處的質(zhì)量階躍。 梁國偉[33]提出了一種新型的雙時間法計數(shù)器，并成功將其應用于脈沖型流量傳感器的校準。這種雙時間法計數(shù)器實際上是一臺脈沖型流量傳感器校準儀。計數(shù)器操作簡單，穩(wěn)定可靠，且性價比高，可大大縮短校準時間，同時大量程的流量計也可用較小的標準容器來檢測，只是校準的精度不高，限制了它的廣泛使用。