摘要：本文通過理論分析和大量的測(cè)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(cè)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(jì)(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(jì)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(shí)際值的關(guān)系出現(xiàn)較大的非線性。

(2)傳動(dòng)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(jì)數(shù)齒輪系、指針指示器等，多大上百個(gè)零件。

(3)在管路閥門突然開啟和突然關(guān)閉時(shí)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(shí)，對(duì)應(yīng)的密度不能自動(dòng)補(bǔ)償，不能測(cè)量變化密度的蒸汽的質(zhì)量流量。

1、流體測(cè)量中非線性修正基本策略

液體和氣體的流量測(cè)量涉及到了各行各業(yè)。流量測(cè)量精度的影響因素是多樣的。流量計(jì)測(cè)量的指示值與實(shí)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(dòng)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(gè)變數(shù)，而在紊流狀態(tài)下其流量系數(shù)是個(gè)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(gè)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(cè)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(jì)，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(cè)量范圍，即測(cè)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(gè)近似常數(shù)，翼輪轉(zhuǎn)速與實(shí)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(cè)量精度級(jí)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(jiǎn)練、實(shí)用，在RSF流量計(jì)中使用該法精度達(dá)到了1級(jí)和1.5級(jí)。

本人通過對(duì)RSF流量計(jì)大量的測(cè)試和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制了如圖1所示的流量實(shí)際值和指示值(顯示值)曲線。圖1中，雙點(diǎn)劃線是理想顯示值曲線或者是實(shí)際流量曲線。實(shí)線是流量計(jì)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(jì)好的流量計(jì)表頭設(shè)置一個(gè)比較理想的流量系數(shù)，在全量程的范圍內(nèi)測(cè)量繪制出了圖中實(shí)線所示的流量計(jì)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(gè)范圍屬非測(cè)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(jì)表頭顯示值曲線和實(shí)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(jì)表頭顯示值偏離了實(shí)際流量。這說明雖然都在紊流狀態(tài)(流量系數(shù)僅是個(gè)近似常數(shù))范圍內(nèi)，測(cè)量的指示數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)不完全相符，一只流量計(jì)在全量程的范圍內(nèi)只用一個(gè)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(gè)流量系數(shù)，在40%～70%的流量范圍內(nèi)采用*二個(gè)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(gè)流量系數(shù)。這樣，三段流量系數(shù)修正后，流量計(jì)在全量程的范圍(12%～100%)內(nèi)流量計(jì)表頭顯示值和實(shí)際流量相吻合。也就是說，如圖所示的40%以下的實(shí)線部分以S1點(diǎn)為轉(zhuǎn)軸向雙點(diǎn)劃線重合處旋轉(zhuǎn)，70%以上的實(shí)線部分以S2點(diǎn)為轉(zhuǎn)軸向雙點(diǎn)劃線重合處旋轉(zhuǎn)，使得全流量范圍上，流量計(jì)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)的當(dāng)量流量。

我們可以用實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)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(gè)流量系數(shù)C1和70%～100%流量范圍的*三個(gè)流量系數(shù)C3。

因?yàn)镃2S1就是S1點(diǎn)的實(shí)際流量(也是S1點(diǎn)的理想顯示值)；C2S2就是S2點(diǎn)的實(shí)際流量(也是S2點(diǎn)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?yàn)閅1前、Y3前是全量程設(shè)置一個(gè)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>