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(yīng)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(jìn)行定期地校準(zhǔn)[15]。實際工程應(yīng)用中，每一個出廠的渦輪流量計都會由廠家對其進(jìn)行標(biāo)定，方便用戶的使用。 
  流量計的校準(zhǔn)，顧名思義，就是對產(chǎn)生變化的流量計儀表系數(shù)進(jìn)行重新的設(shè)定，以滿足測量的需要。流量計校準(zhǔn)的普遍原理是將被校流量計的顯示流量與標(biāo)準(zhǔn)流量進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)流量產(chǎn)生的不同方式，把流量計的校準(zhǔn)方法分為三大類，即質(zhì)量法、容積法和標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)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(yīng)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(jìn)行解析分析，首先需要對其進(jìn)行線性化。注意到，當(dāng) 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(yīng)是影響渦輪流量計性能的一個重要因素，但是粘度效應(yīng)的流體動力學(xué)機(jī)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(dǎo)致前導(dǎo)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(zhǔn)具有一定的指導(dǎo)意義，即，在流量計校準(zhǔn)時，應(yīng)選擇與實際應(yīng)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(dǎo)致儀表系數(shù)的校準(zhǔn)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(yīng)得到了更好的認(rèn)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(yīng)。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(jī)制，可以應(yīng)用相似的誤差校正機(jī)制進(jìn)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(zhǔn)具有指導(dǎo)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(jìn)行了分析與評估，并得到相應(yīng)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(zhǔn)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(jìn)行分析，以保證在校準(zhǔn)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)?；诖耍髡哐芯苛诵毕蛩俣葓鰧€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(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行校準(zhǔn)的必要條件。下面將介紹國內(nèi)外對流量計的校準(zhǔn)方法開展的研究，以期對本文提出的動態(tài)校準(zhǔn)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(zhǔn)試驗數(shù)據(jù)的分析，推導(dǎo)出流量計的非線性模型，將曲線擬合法應(yīng)用到超聲波流量計的校準(zhǔn)中，這種方法不僅提高了校準(zhǔn)的精度，而且大大減少了工作量及計算復(fù)雜性。類似的，Yan  Yi[26]等針對傳統(tǒng)的渦街流量計校準(zhǔn)方法中不考慮流量計特性曲線的非線性性會導(dǎo)致很大的校準(zhǔn)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(luò)算法為渦街流量計的特性曲線建模；然后，運(yùn)用基因算法在特性曲線間斷點(diǎn)自動尋找兩個附加***優(yōu)校準(zhǔn)點(diǎn)；***終在新的校準(zhǔn)點(diǎn)對流量計進(jìn)行校準(zhǔn)。該方法的運(yùn)用大大減小了校準(zhǔn)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(zhǔn)有著深刻的認(rèn)識，提出了一種基于動態(tài)稱重法的校準(zhǔn)方法。校準(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)試驗系統(tǒng)龐大，原理復(fù)雜，通用性不強(qiáng)。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(guān)系，提出了采用高精度壓差式流量計來校準(zhǔn)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(jìn)行動態(tài)校準(zhǔn)。這種校準(zhǔn)方法可以看作是標(biāo)準(zhǔn)儀表法的一種，具有簡易，可操作性強(qiáng)，重復(fù)性高等特點(diǎn)，但校準(zhǔn)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(zhǔn)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(shè)計了一種電子校準(zhǔn)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(jī)軟件計算流量，并與流量計的顯示流量進(jìn)行計較。該校準(zhǔn)方法屬于容積法，校準(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(guān)效應(yīng)——一是校準(zhǔn)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(dǎo)致校準(zhǔn)結(jié)果存在系統(tǒng)誤差；二是噪聲干擾是任何一個校準(zhǔn)系統(tǒng)不可避免的問題[30,31]。

 

　　如 1.2 節(jié)，為了對流量計進(jìn)行動態(tài)校準(zhǔn)，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(jī)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(jìn)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(yīng)于體積流的響應(yīng)。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(zhǔn)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(jī)械機(jī)構(gòu)，可以是往復(fù)活塞或者是旋轉(zhuǎn)葉片，利用其機(jī)械運(yùn)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(fù)活塞或旋轉(zhuǎn)葉片)的運(yùn)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(yīng)的低通特性，無法保證擾動流量在到達(dá)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(guān)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(dá)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(jìn)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(yīng)用于脈沖型流量傳感器的校準(zhǔn)。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(zhǔn)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(zhǔn)時間，同時大量程的流量計也可用較小的標(biāo)準(zhǔn)容器來檢測，只是校準(zhǔn)的精度不高，限制了它的廣泛使用。