0、引言：按 JJG1037 － 2008 《渦輪流量計檢定規(guī)程》要求，線性誤差是渦輪流量傳感器基本誤差的重要組成部分，從實際出發(fā)，在重復性滿足的情況下，渦輪流量傳感器的線性使用范圍大大縮小了，這樣將減少渦輪流量傳感器的使用價值。為此，校準渦輪流量傳感器過程中，在重復性滿足其誤差五分之一的情況下，采用分段線性化的處理方法，不但可以增加渦輪流量傳感器的測量范圍和測量精度，還可以增加渦輪流量傳感器使用價值，對企業(yè)來說減少因渦輪流量計檢定不合格引起的資源浪費。

1、傳感器的線性特性與分段線性化：
1. 1、渦輪流量傳感器的線性特性：
  K － Qv特性曲線說明 f － Qv特性曲線全量程存在非線性，特別是高粘度介質(zhì)，且有一定規(guī)律，如圖所示 1。

圖 1 渦輪流量傳感器 K － QV特性曲線
  根據(jù)理論分析，渦輪流量傳感器 K － QV理想特性曲線是平行于 QV軸的直線，但由于流體粘力特性的影響和葉輪上所受阻力矩作用的結(jié)果，實際的特性曲線具有高峰特征，高峰出現(xiàn)在傳感器上限流量的 20% ～30% 處，產(chǎn)生高峰特征的原因是: 當流量減小到某一數(shù)值 ( 通常為 20% ～ 30% 上限流量) 時，作用于渦輪上的旋轉(zhuǎn)力矩和粘滯阻力矩都相應(yīng)地減小。但粘滯阻力矩減小更顯著，所以渦輪的轉(zhuǎn)速反而提高，特性曲線出現(xiàn)高峰，隨著流量的進一步減小，這樣使作用在渦輪上的所有阻力矩的影響相對突出，渦輪轉(zhuǎn)速降得快，特性曲線明顯下降，相反，當流量增大到超過某一值時，作用在渦輪上的旋轉(zhuǎn)力矩增大，當與阻力矩達到平衡時，特性曲線就顯得較平直。
  為了獲得高測量準確度，渦輪流量傳感器的使用范圍應(yīng)選在特性曲線的線性段。

  由此可以看出，不管什么樣的流體介質(zhì)，粘度對傳感器測量的線性特性都有影響，因此，在全量程范圍內(nèi)，按照 JJG1037 － 2008 要求，數(shù)字式流量二次儀表只能利用儀表系數(shù) K 的線性段 30% Qmax以上，對于30% Qmax以下重復性好的非線性段，無法使用，大大縮小了渦輪流量計的使用范圍，造成資源的浪費。

圖 2 粘度對 K － QV線性特性曲線影響V1 ＞ V2 ＞ V3
  為了擴展渦輪流量計的使用范圍，可以像圖 3 那樣，將渦輪流量計流量測量范圍分段線性化處理 ( 前提是: 渦輪流量傳感器標定時，重復性滿足使用精度的五分之一) ，依據(jù)渦輪流量計 K － QV理論特性曲線規(guī)律，劃分成 3 段以上，采用 10 分段或 20 分段的智能流量二次儀表，進行 f － QV變換，即可達到全量程滿足使用精度的目的，使用這種分段線性化處理渦輪流量計方法，可以擴展渦輪流量計的測量范圍，減少渦輪流量計報廢，節(jié)約工廠資源。

圖 3 渦輪流量傳感器 K － QV特性曲線

  實際上，在渦輪流量校準過程中，流體經(jīng)過渦輪流量傳感器將非電量信號———流速 ( V) 轉(zhuǎn)換成電量信號———f ( Hz) 。我們依據(jù)實際流量 QV( l/min) 經(jīng)流量傳感器變換成電量信號頻率 f ( Hz) 的對應(yīng)關(guān)系，即 f － QV函數(shù)關(guān)系，進行一元線性回歸分析，擬合出渦輪流量傳感器 f － QV特性曲線，發(fā)現(xiàn)渦輪流量傳感器 f － QV曲線與渦輪流量傳感器 K － QV特性曲線反映規(guī)律特性一致，如圖 1 和圖 4 對應(yīng)關(guān)系，它具有非線性特點，且在流量 30% Qmax以上具有線性特點，因此，我們可以采用全量程分段線性化處理的方法，每一段采用***小二乘法處理 f 和 QV數(shù)據(jù)，擬合出 f － QV擬合曲線，如圖 4 所示。渦輪流量計分段線性化處理流程圖見圖 5。

圖 4 渦輪流量傳感器 f － QV特性曲線示意圖

圖 5 渦輪流量計分段線性化處理流程圖

2、渦輪流量計分段線性化處理結(jié)果評估：
  從理論上講，分段線性化可適用于所有非線性傳感器線性化處理，這種結(jié)果風險的關(guān)鍵在于: ①渦輪流量傳感器全量程標定，尋找 f － QV實測曲線真實拐點帶來的風險。②渦輪流量傳感器下限流量復現(xiàn)性帶來的風險。只要把握住這兩點，基本可控制渦輪流量計分段線性化處理結(jié)果的正確性。
  下面是一組實驗數(shù)據(jù): 2010 年 6 月 24 日用現(xiàn)場流量校準裝置 ( YLJZ － 01) 對渦輪流量傳感器 LWGY － 4( 編號 090402) 進行校準。用 15 號紅油，在 32℃ 條件下，先標定，后校驗測量結(jié)果?，F(xiàn)場標定與驗證數(shù)據(jù)處理結(jié)果分別見表 1、表 2。標定與驗證曲線見圖 6、圖 7。表 1 數(shù)據(jù)表明: 該渦輪流量計重復性***大值為0. 151% ; 表 2 結(jié)果表明: 該渦輪流量計重復性為 0，***大示值誤差為 － 1. 0% 。

表 1 標定結(jié)果

圖 6 K － QV標定曲線

表 2 驗證結(jié)果

圖 7 QV－ f 系統(tǒng)驗證曲線
以上標定數(shù)據(jù)和驗證數(shù)據(jù)及圖 6、圖 7 說明:
① 按 JJG1037 － 2008 要求，滿足 1% 誤差要求，此渦輪流量計只能用 4. 15843 ～ 5. 69897 ( L/min) 流量線性段 ( 線性度: 0. 83% ，基本誤差: 0. 84% ) 。
② 按分段線性化處理，在滿足 1% 誤差要求，可將渦輪流量計量程擴展到 0. 29588 ～ 5. 13462L/min 量程。

3、總結(jié)：
  理論分析和實際測量數(shù)據(jù)說明: 分段線性化處理方法，在滿足其精度要求的前提下，完全可以擴展渦輪流量計的測量范圍，并且分段線性化處理方法可以適用于所有傳感器非線性段線性化處理。