流体测量中非线性修正方法的研究

　　0　引言

　　液体和气体的流量测量涉及到了各行各业。流量测量精度的影响因素是多样的。通过理论分析和大量的测试数据证明,流量计测量的指示值与实际值的非线性问题一直是影响其精度的主要因素。一方面是流体流动状态的变化造成的,流体在层流状态下流量系数是个变数,而在紊流状态下其流量系数是个近似常数。特别是在层流和紊流的临界流态下流量系数是不稳定的。这个问题的解决办法一般是采用改变流道结构、提高流体流速,使层流和紊流的临介流态下移,扩大我们真正测量的紊流状态的范围。如图1中举例所示的涡轮流量计,我们已做到了将总流量的12%以上的流量范围全部整定为紊流状态的测量范围。另一方面,虽然在紊流状态范围内其流量系数是个近似常数,涡轮转速与实际流量仍然存在一定的非线性误差,这种非线性误差导致测量精度级别达不到很高的要求。因此,我们采用三段系数修正算法将流量函数进行线性化修正和补偿,效果甚佳,方法简练、实用,在涡轮流量计中使用该法精度达到了1级和1·5级。本文主要论述三段系数修正算法将流量函数进行线性化修正和补偿的方法。

　　1　流体测量中非线性修正的基本策略

　　本人根据涡轮流量计大量的测试和实验数据绘制了如图1所示的流量实际值和指示值(显示值)曲线。图1中,双点划线是理想显示值曲线或者是实际流量曲线。实线是流量计表头显示值曲线,也就是在没有进行非线性修正和补偿以前,我们将设计好的流量计表头设置一个比较理想的流量系数,在全量程的范围内测量绘制出了图中实线所示的流量计表头显示值曲线。

　　从图中可以看出,在总流量的12%以下是层流和紊流的临界状态,这个范围属非测区(在引言中已经阐明)。在总流量的40% ~70%的范围内流量计表头显示值曲线和实际流量曲线基本重合,而在40%以下和70%以上的流量范围内流量计表头显示值偏离了实际流量。这说明虽然都在紊流状态(流量系数仅是个近似常数)范围内,测量的指示数据与实际数据不完全相符,因此,一只流量计在全量程的范围内只用一个流量系数想达到很高的精度是不可能的。

　　要想提高精度必须采用流量系数分段法,也就是说在40%以下(不包括12%以下的流量范围)采用一个流量系数,在40% ~70%的流量范围内采用第二个流量系数(理想流量系数),在70%以上的流量范围内采用第三个流量系数。这样,三段流量系数修正后,流量计在全量程的范围(12% ~100% )内流量计表头显示值和实际流量相吻合。也就是说,如图1所示的40%以下的实线部分以S1点为转轴向双点划线重合处旋转, 70%以上的实线部分以S2点为转轴向双点划线重合处旋转,使得全流量范围上,流量计表头显示值曲线与实际流量曲线全部重合。这样,就达到了表头显示值和实际流量值一致。