摘要：本文通過理論分析和大量的測試數(shù)據(jù)剖析了傳統(tǒng)的RSF存在的分流比非線性、流量系數(shù)非線性和臨介雷諾數(shù)的不確定因素。在此基礎(chǔ)上，我們采用三段系數(shù)修正算法，將其流量函數(shù)進(jìn)行線性化，做到流量系數(shù)為一常數(shù)。采用溫度補(bǔ)償算法將蒸汽的密度變化引起的質(zhì)量流量的變化進(jìn)行修正。通過大量測試數(shù)據(jù)證明，在1∶8的流量范圍內(nèi)，其質(zhì)量流量誤差僅為1%—1.5%，其數(shù)字電路總功耗只有180μA。

傳統(tǒng)的分流旋翼流量計(RSF)的基本原理是在主管道中裝置一塊節(jié)流孔板，由于它的節(jié)流作用，在孔板前后產(chǎn)生壓力差。在節(jié)流件上、下游二側(cè)開孔，接向另一分流管路，并在上游分流管入口處安裝噴嘴。在壓力差的作用下 ,一部分流體經(jīng)噴嘴流經(jīng)分流管路沖擊安裝在分流管路中的旋翼使其旋轉(zhuǎn)(翼輪)，翼輪的旋轉(zhuǎn)經(jīng)阻尼減速傳遞到指針表頭，指示流體總量。該流量計存在如下缺陷：

(1)精度低，誤差大，高達(dá)2.5—8%，流量指示值與實際值的關(guān)系出現(xiàn)較大的非線性。

(2)傳動環(huán)節(jié)多、結(jié)構(gòu)零件多，包括傳感翼輪、阻尼葉片、減速器、摩擦盤、摩擦輪、調(diào)整齒輪系、計數(shù)齒輪系、指針指示器等，多大上百個零件。

(3)在管路閥門突然開啟和突然關(guān)閉時特別容易損壞翼輪和輪桿。

(4)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是人工操作的，當(dāng)蒸汽的壓力和溫度發(fā)生變化時，對應(yīng)的密度不能自動補(bǔ)償，不能測量變化密度的蒸汽的質(zhì)量流量。

1、流體測量中非線性修正基本策略

液體和氣體的流量測量涉及到了各行各業(yè)。流量測量精度的影響因素是多樣的。流量計測量的指示值與實際值的非線性問題一直是影響其精度的主要因素。一方面是流體流動狀態(tài)的變化造成的，流體在層流狀態(tài)下流量系數(shù)是個變數(shù)，而在紊流狀態(tài)下其流量系數(shù)是個近似常數(shù)。特別是在層流和紊流的臨介流態(tài)下流量系數(shù)是不穩(wěn)定的。這個問題的解決辦法一般是采用改變流道結(jié)構(gòu)、提高流體流速，使層流和紊流的臨介流態(tài)下移，擴(kuò)大我們真正測量的紊流狀態(tài)的范圍。如圖1、圖2中舉例所示的分流旋翼式蒸汽流量計，我們已做到了將總流量的12%以上的流量范圍全部整定為紊流狀態(tài)的測量范圍，即測量范圍可達(dá)1：8(原來為1：3)。

另一方面，雖然在紊流狀態(tài)范圍內(nèi)其流量系數(shù)是個近似常數(shù)，翼輪轉(zhuǎn)速與實際流量仍然存在一定的非線性誤差，這種非線性誤差導(dǎo)致測量精度級別達(dá)不到很高的要求。因此，我們提出用三段系數(shù)修正算法將流量函數(shù)進(jìn)行線性化修正和補(bǔ)償，效果甚佳，方法簡練、實用，在RSF流量計中使用該法精度達(dá)到了1級和1.5級。

本人通過對RSF流量計大量的測試和實驗數(shù)據(jù)繪制了如圖1所示的流量實際值和指示值(顯示值)曲線。圖1中，雙點劃線是理想顯示值曲線或者是實際流量曲線。實線是流量計表頭顯示值曲線，也就是在沒有進(jìn)行非線性修正和補(bǔ)償以前，我們將設(shè)計好的流量計表頭設(shè)置一個比較理想的流量系數(shù)，在全量程的范圍內(nèi)測量繪制出了圖中實線所示的流量計表頭顯示值曲線。

從圖中可以看出，在總流量的12%以下是層流和臨介狀態(tài)，這個范圍屬非測區(qū)(在引言中已經(jīng)闡明)。在總流量的40%～70%的范圍內(nèi)流量計表頭顯示值曲線和實際流量曲線基本重合，而在40%以下和70%以上的流量范圍內(nèi)流量計表頭顯示值偏離了實際流量。這說明雖然都在紊流狀態(tài)(流量系數(shù)僅是個近似常數(shù))范圍內(nèi)，測量的指示數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)不完全相符，一只流量計在全量程的范圍內(nèi)只用一個流量系數(shù)想達(dá)到很高的精度是不可能的。

要想提高精度必須采用流量系數(shù)分段法，也就是說在40%以下(不包括 12%以下的流量范圍)采用一個流量系數(shù)，在40%～70%的流量范圍內(nèi)采用*二個流量系數(shù)(理想流量系數(shù))，在70%以上的流量范圍內(nèi)采用*三個流量系數(shù)。這樣，三段流量系數(shù)修正后，流量計在全量程的范圍(12%～100%)內(nèi)流量計表頭顯示值和實際流量相吻合。也就是說，如圖所示的40%以下的實線部分以S1點為轉(zhuǎn)軸向雙點劃線重合處旋轉(zhuǎn)，70%以上的實線部分以S2點為轉(zhuǎn)軸向雙點劃線重合處旋轉(zhuǎn)，使得全流量范圍上，流量計表頭顯示值曲線向?qū)嶋H流量曲線全部重合。這樣，就達(dá)到了表頭顯示值和實際流量值一致。

2、三段流量系數(shù)修正算法

如上所述的基本策略實際上就是修正了40%以下的流量系數(shù)和修正了 70%以上的流量系數(shù)。用圖1表示就是改變了40%以下的流量指示值曲線的斜率和70%以上的流量指示值曲線的斜率。

設(shè)：12%～40%的流量范圍內(nèi)的流量系數(shù)為*一段流量系數(shù)C1，40%～70%的流量范圍內(nèi)的流量系數(shù)為*二段流量系數(shù)(理想流量系數(shù))C2，70%～100%的流量范圍內(nèi)的流量系數(shù)為*三段流量系數(shù)C3。則：修正后表頭顯示值曲線的分段函數(shù)方程為

其中：Y1后、Y2后、Y3后分別為修正后*一段、*二段、*三段的流量指示值；X為隨機(jī)定量給出的實際流量值；S1、S2分別為段間流量的當(dāng)量值，即：未乘系數(shù)時的當(dāng)量流量。

我們可以用實測標(biāo)定的方法找出理想流量系數(shù)C2，并且在修正之前全量程范圍都采用C2。用實測統(tǒng)計的方法找出段間流量的當(dāng)量值S1、S2，一般來說S1為滿量程流量qmax的40%左右的當(dāng)量值，S2為滿量程流量qmax的70%左右的當(dāng)量值。剩下的問題就是怎樣求出12%～40%流量范圍的*一個流量系數(shù)C1和70%～100%流量范圍的*三個流量系數(shù)C3。

因為C2S1就是S1點的實際流量(也是S1點的理想顯示值)；C2S2就是S2點的實際流量(也是S2點的理想顯示值)，所以，C2S1就是qs1(即40%的 qmax)；C2S2就是qs2(即70%的qmax)。又因為Y1前、Y3前是全量程設(shè)置一個流量系數(shù)而得到了指示值；Y1后、Y3后是我們修正后的理想顯示值，所以，Y1后、Y3后就分別是標(biāo)準(zhǔn)流量值q1標(biāo)準(zhǔn)1、q3標(biāo)準(zhǔn)1；Y1前、Y3前就分別是未修正前表頭顯示值q1前顯、q3前顯。即：式(4)、(5)就變?yōu)?/div>