提要：根據(jù)渦輪流量計(jì)的工作原理和誤差理論的分析與合成原則 ,從理論和實(shí)際應(yīng)用上 ,分析了產(chǎn)生誤差的原因和誤差量級 ,闡述了提高渦輪流量計(jì)測量水泵流量精度的方法。
  水泵試驗(yàn)中 ,精度是測試工作的重點(diǎn) ,而其中流量的測量誤差往往在效率試驗(yàn)中占總誤差的 70% 以上。因此 ,減小流量測量誤差是提高水泵測試精度的重要環(huán)節(jié)。目前 ,水泵流量的測量方法很多 ,其中渦輪流量計(jì)使用方便 ,價格適宜 ,使用甚廣。
  利用其優(yōu)點(diǎn) ,采用測頻計(jì)數(shù)—— 測周計(jì)脈沖法 ,可有效地控制誤差 ,提高測試精度。

1、渦輪流量計(jì)的工作原理：
  渦輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖 1所示。它是一種速度式流量儀表 ,以動量矩的守恒原理為基礎(chǔ)。當(dāng)流體沖擊葉輪葉片 ,使葉輪旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)速度隨流量的變化而變化 ,同時導(dǎo)磁性的葉輪周期性的改變磁電系統(tǒng)的磁阻值 ,使通過線圈的磁通量發(fā)生周期性的變化 ,因而在線圈內(nèi)感應(yīng)出脈沖電信號 ,經(jīng)放大后計(jì)數(shù)和顯示。
  部分渦輪流量計(jì)的規(guī)格和精度如表 1所示。

表 1　 部分渦輪流量計(jì)規(guī)格及其測量精度

　 在測量范圍內(nèi) ,葉輪的轉(zhuǎn)速可看成與流量成正比 ,而信號脈沖數(shù)與葉輪的轉(zhuǎn)速成正比 ,所以當(dāng)測得葉輪轉(zhuǎn)動頻率 f 或某一時間內(nèi)的脈沖總數(shù) m 后 ,分別除以渦輪流量計(jì)常數(shù) Y(次 /L) ,便可求得流量 Q( L /s) ,即Q =fY由此可見 ,用渦輪流量計(jì)測量水泵流量 ,需測量頻率 f。從表 1中可見 ,渦輪流量計(jì)的頻率 (精度范圍內(nèi) )在 20 Hz到 500 Hz之間。

2、誤差分析：
  根據(jù)誤差理論中誤差分析與合成原則 ,使用渦輪流量計(jì)測量水泵流量時 ,其系統(tǒng)誤差用方和根表示為WW+WW式中W一用渦輪流量計(jì)測量流量時的系統(tǒng)誤差;  
   W一渦輪流量計(jì)精度，選用一定的流量計(jì)，其精度也就基本確定;
　Wf—— 渦輪流量計(jì)輸出信號頻率的測量精度 ,由頻率測量方法決定。因此 ,提高渦輪流量計(jì)測量流量的精度 ,必須降低 Wf 到微小誤差的量級上 ,使之可以忽略不計(jì)。一般頻率的測量精度由兩部分組成 ,即Wf = W± 1個字式中W由頻率測量通道的時鐘電路和輸入放大電路決定 ,通常為 0. 1% ; ± 1個字是由于檢測周期與計(jì)數(shù)脈沖不同步 ,使計(jì)數(shù)器多計(jì)或少計(jì)一個數(shù)所造成的誤差。頻 率測量通常是在標(biāo)準(zhǔn)時間內(nèi) ,用計(jì)數(shù)器累計(jì)渦輪流量計(jì)輸出的脈沖數(shù)來計(jì)算的 ,顯然 ,標(biāo)準(zhǔn)時間和信號周期是同步的 ,即標(biāo)準(zhǔn)時間不可能正好是信號脈沖的整數(shù)倍。其 ± 1個字的誤差在標(biāo)準(zhǔn)時間為 1 s時 ,就是 ± 1 Hz,相對誤差為 ±1f× 100% 。因此 ,這種方法在小流量 (低頻 )時 ,由于計(jì)數(shù)值較少 ,誤差是相當(dāng)大的。如 f = 10 Hz時 ,相對誤差為 10% ,將標(biāo)準(zhǔn)時間延長為 10 s,其相對誤差仍有 1% ,即使在大流量時 ,如 f = 500 Hz時 ,其相對精度

圖 1　 渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)
仍有 0. 2%。因此 ,計(jì)數(shù)測頻法在水泵整個流量范圍內(nèi) ,誤差不能控制在微小誤差數(shù)量級上 ,因而不可忽略。

3、 提高精度的方法：
  測量頻率的關(guān)鍵是使檢測周期與信號周期同步。因此 ,我們設(shè)想用信號周期作為檢測周期 ,將測頻計(jì)數(shù)和測周計(jì)脈沖相結(jié)合 ,這樣 ,既可在小流量時可靠地測頻 ,在大流量時亦具有較高的分辨率。這種方法的硬件電路如圖 2所示 ,包括單片機(jī) 8031,可編程定時器 8253以及兩個 D觸發(fā)器。其中 t1由一個 8253定時器 0來定時 ,其值是不變的。
  檢測時間 t在 t1結(jié)束后 ,由渦輪流量計(jì)輸出信號的個脈沖來決定。即 t = t1+ Δt,m1和 m2是檢測時間 t內(nèi)渦輪流量計(jì)發(fā)出的脈沖數(shù)和時鐘脈沖的計(jì)數(shù)值 , T0是一個脈沖的周期 ,分別用 8253定時器 1和定時器 2進(jìn)行計(jì)數(shù) ,且 t = m2T0,則頻率 f 為f =m1N   t=m 1N   m 2   T0=f 0   m1N   m2( 1)式中 N—— 葉輪每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖數(shù)。如圖 2所示 ,測量時 ,當(dāng) 8253初始化之后 ,三個定時器的輸出端 OUT0～ OUT2置零 ,使D1 = 0, D2 = 0。首先 P1. 5 = 0,則 P R1 = 0, Q1 = 1, Q1 = 0, 8253的三個定時器門控端 G0 =G1 = G2 = 0,禁止三個計(jì)數(shù)器工作。

圖 2　 測頻計(jì)數(shù) —— 測周計(jì)脈沖法測量原理圖
  P1.5 = 0的同時 ,還使CLR2 = 0, Q2 = 0, Q2 = 1,使 8031的外部中斷輸入端 IN T = 1,則不向單片機(jī)提出中斷申請。
  P1. 5 = 1,啟動 8253。P R1 = 1, D1 = 0,渦輪流量計(jì)脈沖接 D觸發(fā)器的時鐘端 CP1 和 CP2 ,渦輪流量計(jì)旋轉(zhuǎn)后 ,輸出脈沖打入兩個 D觸發(fā)器 ,使 Q1 = 0,Q1 = 1,使 G0 = G1 = G2 = 1,三個定時器開始計(jì)數(shù)。C L R2 = 1,因 D2 = 0,使 Q2 = 0, Q2 = 1,仍然不提出外部中斷申請。
  當(dāng) 8253定時器 0的定時時間為 t1時 ,輸出端 OUT0 = 1,使 D1 = D2 = 1。D1 = 1,直到下一個流量計(jì)輸出脈沖打入后 , D觸發(fā)器再傳送一次 D1 = 1,使 Q1 = 0,三個定時器的控制端為零 ,同時停止計(jì)數(shù)。
  D2 = 1,同理使 Q2 = 0, IN T = 0, 8253向單片機(jī)提出外部中斷申請 ,在外部中斷服務(wù)程序內(nèi)讀出 8253定時器 1和定時器 2的計(jì)數(shù)值 m1 和 m2,由式 ( 1) 計(jì)算出頻率 f。
  這種方法的外部中斷服務(wù)程序框圖如圖 3所示。
  采用這種方法只存在時鐘脈沖的計(jì)數(shù)誤差。由于晶振的時鐘頻率 f 0 很高 ,在一個信號周期內(nèi) , ± 1個字的誤差為ff 0,若 f 0 = 1 M Hz,在小流量 ( f = 10 Hz) 時 ,相對誤差為 0. 001% ; 大流量 ( f = 5 00 Hz) 時 ,其相對誤差為 0.05 % 。因此 ,頻率測量誤差 Wf 相對 WW 和 W為微小誤差 ,可以忽略其影響。

　 4、結(jié)論：
      采用測頻計(jì)數(shù)一一測周計(jì)脈沖法與目前則頻計(jì)數(shù)法相比，前者遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于后者的測量誤差，采用這種方法不僅測量精度有保證，且可靠易于實(shí)現(xiàn)，可從根本上解決渦輪流量計(jì)對水泵流量的測量精度及減小誤差問題表2是改進(jìn)前后的測量誤差實(shí)測對比。

表2改進(jìn)前后渦輪流量計(jì)對水泵流量測量的誤差比較
    經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用證明，這種方法在精度和誤差方面完全符合理論研究與設(shè)計(jì)結(jié)果，是提高渦輪流量計(jì)對水泵流量測量精度較好的方法。