一种涡轮流量计流量补偿参数的测试系统的制作方法

1.本发明涉及精密仪表领域，特别是涉及一种涡轮流量计流量补偿参数的测试系统。


背景技术：

2.涡轮流量计是一种将涡轮作为检测元件，通过采集涡轮的转速得到流体的流速，并根据流体的流速计算出相应的流量数据的变送器。涡轮流量计因其具有重复性好、惯性小、响应快，能够用于测量粘度小的清洁液体的特点，而广泛应用于各类高精度的液体或气体介质的流量计量中。针对不同的使用场景，涡轮流量计本身也具有多种不同的结构类型，其中，切向涡轮流量计是一种流体运动方向与涡轮旋转面相切的涡轮流量计。
3.切向涡轮对流体运动较为敏感，即使管道内的流体流量较小，也可以使得涡轮快速转动。因此切向涡轮在低流量的测量场景中应用较多。现有涡轮流量计中，涡轮的叶轮轴直接插入到轴套中，二者可转动连接。由于叶轮轴和轴套直接接触，因此二者的转动过程中叶轮轴会受到来自轴套的摩擦阻力，即涡轮只有在克服叶轮轴和轴套间的摩擦阻力时，才会发生转动。摩擦阻力对涡轮流量计的测量精度造成很大影响：一方面，摩擦阻力会提高流量计的使动流量，进而导致流量计在小流量检测时的测量精度降低。此外，较大的使动流量还会导致涡轮流量计的量程范围变窄；使得涡轮流量计不适用于低速、效流量测量场景下的应用。另一方面，叶轮轴和轴套的摩擦阻力还和测量的流体的流速有关，当流体流速增大时，叶轮收到的冲击力作用也会变大，此时，叶轮和轴套的摩擦阻力也会增加；这进一步降低流量计在高速、大流量测量场景下的检测精度，并导致流量计的量程范围进一步变窄。由此可见，现有涡轮流量计的检测精度会随流量检测范围的变化而产生较大差异，检测精度的稳定性不足；涡轮流量计的量程范围相对较窄。
4.为了解决这种问题，现有的涡轮流量计通常会为每个流量计产品设置随量程动态变化的仪表系数，并利用仪表系数对流量计在不同测量结果下的检测误差进行补偿。这种处理方式仅仅是通过数据补偿的方式对测量结果进行校准，并不能克服涡轮流量计因叶轮轴与轴套摩擦而造成的影响，也无法改变涡轮流量计不适用于与小流量检测的固有缺陷。
5.将叶轮悬浮在涡轮腔中是克服涡轮流量计上述缺陷的一种可行方案。但是如何克服叶轮轴在不同流量测量场景下的波动问题，仍然是一个需要解决的技术难题。


技术实现要素：

6.基于此，为了解决涡轮流量计中的叶轮的应力状态随流体测量状态动态变化，进而导致难以有效维持叶轮平衡状态的问题；本发明提供了一种涡轮流量计流量补偿参数的测试系统。
7.本发明提供的技术方案如下：
8.一种涡轮流量计流量补偿参数的测试系统，该测试系统的测试对象为一个涡轮流量计，涡轮流量计包括表头和测量组件两个部分。其中，测量组件包括：基板、涡轮壳、叶轮、
两个轴套、流体入口和流体出口。涡轮壳的两侧固定连接在基板上，轴套固定连接在涡轮壳上。叶轮中叶轮轴的两端分别套设在两个轴套内，叶轮轴和轴套可转动连接。涡轮壳中含有涡轮腔，叶轮位于涡轮腔内。流体入口和流体出口位于涡轮腔的两侧，二者的连线方向构成流体通道。流体通道与叶轮的转动面相切。表头用于采集叶轮的转速，然后将叶轮的转速值转换为计量出的流量检测结果并输出。
9.特别地，本发明提供的测试系统测试的特殊的涡轮流量计中还设置有两组磁性轴承。磁性轴承固定连接在每个轴套的端部；叶轮轴的两端分别贯穿对应的磁性轴承的内孔。每组磁性轴承中均包括永磁体组和电磁体组。永磁体组由沿周向分布的多个永磁单元构成，电磁体组由沿轴向分布的多个独立的电磁单元构成。在本发明的涡轮流量计中，当叶轮腔中充盈有处于静止或匀速流动的待测流体时，永磁体组产生的恒磁场使得叶轮轴位于轴套的中央，且与磁性轴承的内环不接触。即永磁体磁场作用与叶轮轴及叶轮的重力和浮力平衡。而电磁体组用于在叶轮轴两端的周向上施加同步的附加动态磁场；附加的动态磁场用于平衡叶轮轴上随着流量而变化的负载。
10.本发明提供的测试系统用于在涡轮流量计的测量结果和用于动态纠偏的磁性轴承的激励电流之间建立映射关系。并根据映射关系生成相应的流量补偿控制参数，便于流量计根据实时的测量结果对磁性轴承产生的动态磁场进行反馈控制，进而实现对叶轮进行自动纠偏。
11.本发明提供的测试系统包括：基准流量计、流体模拟器、偏移感应单元、驱动信号生成模块，以及上位机。
12.其中，基准流量计包含测量组件，基准流量计中的测量组件与被测流量计中的测量组件的结构和参数完全相同。
13.流体模拟器包括容器、循环泵和循环管道。循环管道中包含测试通道和基准通道。测试通道用于连通被测流量计的流体入口和流体出口。基准通道用于连通基准流量计的流体入口和流体出口。流体模拟器用于在测试过程中为被测流量计和基准流量计模拟出同步的流体输送工况。
14.偏移感应模块用于检测叶轮在涡轮腔内的偏移状态。偏移感应模块中包括多个距离感应单元。每个距离感应单元安装在基准流量计的涡轮壳上，并沿叶轮的周向等间隔均匀布设，距离感应单元用于检测自身与叶轮的转动轨迹外缘的最小距离。
15.驱动信号生成模块与被测流量计和基准流量计中的磁性轴承电连接，并根据接收到的一个驱动指令向被测流量计或基准流量计中的磁性轴承输出相应的纠偏控制信号。纠偏控制信号中包含每个电磁单元的激励电流。
16.上位机分别与流体模拟器、被测流量计、基准流量计、位移感应模块和驱动信号生成模块电连接。上位机在运行过程中主要执行如下任务：(1)根据测试计划控制输送泵的运行功率，进而在测试通道和基准通道内同步模拟出满足测试流量位点的流体输送环境。测试计划中包含多个流量位点的测试任务。(2)采集不同流量位点条件下偏移感应模型的测量结果，并根据检测结果仿真出基准流量计的叶轮在涡轮腔内的偏移状态。(3)根据叶轮的偏移状态生成纠偏所需的目标动态磁场，并计算出生成目标动态磁场时各个电磁单元对应的激励电流。(4)根据计算出的各个电磁单元的激励电流向驱动信号生成模块输出相应的驱动指令。(5)记录测试计划中所述测试流量位点对应的叶轮的偏移状态，以及叶轮的不同
偏移状态下实现纠偏时对应的纠偏控制信号。
17.作为本发明进一步地改进，偏移感应模块中的距离感应单元采用激光雷达、红外距离传感器和电磁距离传感器中的任意一种传感器。
18.作为本发明进一步地改进，采用的电磁距离传感器中包括磁体和感应线圈。磁体用于在安装位点处产生检测磁场，感应线圈用于获取检测磁场内产生的感应信号。当涡轮流量计的涡轮腔中的叶轮转动过程发生偏移时，叶轮在检测磁场中的位置发生变化，进而导致磁路的磁阻变化并产生相应的感应信号。电磁距离传感器根据感应信号的信号强度计算叶轮与电磁距离传感器之间的实时间距。
19.作为本发明进一步地改进，在基准流量计和被测流量计的轮轴上安装有第一屏蔽组件，第一屏蔽组件用于屏蔽外界磁场对磁性轴承的纠偏动作造成的干扰。基准流量计的涡轮壳上安装有第二屏蔽组件，第二屏蔽组件用于屏蔽外界磁场对偏移感应模块的检测精度造成的干扰。被测流量计的涡轮壳上安装有第三屏蔽组件，第三屏蔽组件用于屏蔽外界磁场对叶轮转速检测结果的精度造成的影响。
20.作为本发明进一步地改进，上位机在测试计划完成后，以叶轮的偏移状态为中间变量，在被测流量计的流量检测值和纠偏控制信号之间建议一一对应的映射关系；并以一个数值对照表或拟合的函数组的形式输出所述映射关系。
21.作为本发明进一步地改进，被测流量计中还包括一个流量补偿器。上位机在测试计划完成后，将反映瞬时流量检测值和纠偏控制信号间映射关系的数值对照表或拟合的函数组的作为流量补偿参数，并写入到流量补偿器中。在写入流量补偿参数后，流量补偿器在检测过程根据表头输出的瞬时流量的值，自动生成相应的纠偏控制信号，进而通过磁性轴承对叶轮轴的偏移进行自动修正。
22.作为本发明进一步地改进，在上位机执行的测试计划中，实施测试的流量位点的区间范围根据被测流量计的理论量程确定，测试任务中的流量位点包含被测流量计理论量程的上限和下限。
23.作为本发明进一步地改进，在测试计划中，相邻两个流量位点的间隔由偏移感应模块的检查精度确定；并满足：相邻流量位点状态下造成的叶轮轴的位置偏移量能够被偏移感应模块分辨出来。
24.作为本发明进一步地改进，流体模拟器中容器内盛装的流体为被测流量计实际应用时的流体。循环泵采用伺服电机驱动，上位机中预先建立有根据专家经验值确定不同流量位点对应的伺服电机的转速值。当执行不同流量位点的测试任务时，上位机查询到相应的转速值，并根据转速值向伺服电机的控制器输出相应的控制信号；使得测试管道和基准管道中的流体流速恰好符合当前测试任务对应的流量位点。
25.作为本发明进一步地改进，在上位机中，预先存储有根据真实试验获取的叶轮位置偏移量与纠偏所需的目标动态磁场之间的映射关系，二者的映射关系的生成方法如下：
26.在涡轮流量计中叶轮的位置出现偏移时，不断调整输出到磁性轴承的纠偏控制信号，磁性轴承中的电磁体组在叶轮轴周围产生动态磁场，动态磁场对叶轮偏移位置进行调整，直至叶轮轴恢复至初始状态，此时记录下的纠偏控制信号产生的磁场即为目标动态磁场。
27.本发明提供的一种涡轮流量计流量补偿参数的测试系统，具有如下有益效果：
28.本发明提供的测试系统可以还在不影响控制精度的基础上，将叶轮纠偏过程中的复杂的应力分析问题转化为简单的流量流量和纠偏控制信号的设计问题。并在流量计检测过程中的负载变化和电磁体组的纠偏控制信号之间建立了可靠的映射关系。进而生成平衡叶轮位置偏差所需的流量补偿参数，实现在流量计使用过程中根据实测流量计的变化对叶轮轴进行主动纠偏的技术效果。最终达到通过永磁体和动态磁场平衡叶轮和叶轮轴在涡轮腔中承受的负载，保持叶轮轴始终不与轴套接触的目的。
附图说明
29.图1为本发明实施例1提供的一种基于磁悬浮的切向涡轮流量计的结构示意图。
30.图2为本发明实施例1中的涡轮流量计拆除基板后剩余组件的装配示意图。
31.图3为本发明实施例1中的涡轮流量计沿纵剖面的结构示意图。
32.图4为本发明实施例1中磁性轴承的结构示意图。
33.图5为图4的磁性轴承中永磁体组和电磁体组的位置分布图。
34.图6为涡轮流量计中叶轮轴动态纠偏过程的控制流图。
35.图7为本发明实施例1提供的一种基于磁悬浮的切向涡轮流量计中流量补偿器的模块示意图。
36.图8为本发明实施例2中提供的一种涡轮流量计的叶轮纠偏测试方法的步骤流程图。
37.图9为本发明实施例2中实际纠偏控制信号获取过程的流程图。
38.图10为本发明实施例3中的提供的一种涡轮流量计流量补偿参数的测试系统。
39.图中标记为：
40.1、基板；2、涡轮壳；3、叶轮；4、轴套；5、流体入口；6、流体出口；7、叶轮轴；8、磁性轴承；9、流量补偿器；21、沉孔；81、永磁体组；82、电磁体组；810、永磁单元；820、电磁单元；91、流量采集单元；92、存储单元；93、查询单元；94、驱动信号输出单元。
具体实施方式
41.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
42.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
43.实施例1
44.本实施例提供一种基于磁悬浮的切向涡轮流量计，该产品与常规的切向涡轮流量计主要结构和工作原理相同；二者均包括表头和测量组件。
45.其中，如图1和图2所示，测量组件包括基板1、涡轮壳2、叶轮3、两个轴套4、流体入口5和流体出口6。涡轮壳2固定连接在基板1上，两个轴套4分别连接在涡轮壳2的两侧。叶轮
3中叶轮轴7的两端贯穿所述涡轮壳2，并与两个轴套4可转动连接。涡轮壳2中含有涡轮腔，叶轮3位于涡轮腔内，流体入口5和流体出口6分别位于涡轮腔两侧，流体入口5和流体出口6的连线方向构成流体通道，流体通道与叶轮3的转动面相切。
46.本实施例提供的切向涡轮流量计的表头包括转速测量模块和数据处理模块两个部分。其中，请结合图1，转速测量模块安装在涡轮腔上方的沉孔21内，转速测量模块通过磁感应的测量方式检测叶轮3的转速。获取叶轮3转速之后，数据处理模块将叶轮3的转速值转换为计量出的流量检测结果并输出。
47.特别地，本实施例提供的切向涡轮流量计还包括至少两组磁性轴承8，以及一个流量补偿器9。如图3所示，磁性轴承8固定连接在每个轴套4的端部。叶轮轴7的两端分别贯穿对应的磁性轴承8的内孔。每组磁性轴承8中均包括永磁体组81(pm)和电磁体组82(ya)。如图4和图5所示，永磁体组81由沿周向分布的多个永磁单元810构成，电磁体组82由沿轴向分布的多个独立的电磁单元构成。
48.在安装本实施例提供的磁性轴承8之后，在叶轮3腔中充盈有处于静止或匀速流动的待测流体的状态下，永磁体组81产生的恒磁场使得叶轮轴7位于轴套4的中央，且与磁性轴承8的内环不接触。即：永磁体组81可以有效克服叶轮轴7和叶轮3在平衡状态下的的重力。
49.电磁体组82用于在叶轮轴7两端的周向上施加同步的附加动态磁场；附加动态磁场可以克服叶轮3和叶轮轴7在不同流量测量状态下承受的动态负载。因此，在本实施例提供的切向涡轮流量计中，通过不断调整磁性轴承8中电磁体组82中各个电磁单元820的激励电流信号，可以产生不同的动态磁场。当产生的动态磁场签好可以平衡叶轮轴7和叶轮3的组合体的负载之后，叶轮3就可以位于磁性轴承8的中央，并有效克服轴套4和叶轮轴7上的摩擦作用。由于叶轮3在转动过程在无需克服了叶轮轴7上的摩擦力，因此该流量计的使动流量大大降低；这使得本实施的切向涡轮流量计可以应用于低速小流量的测量场景。另一方面，由于在任意流速的测量场景下，流量计叶轮3中的摩擦阻力可以保持大致稳定；因此在不同的流速测量场景下，流量计均具有可以获取精准的测量结果，这使得本实施例提供的切向涡轮流量计的量程范围大大扩宽。在较大的量程范围内，该切向涡轮流量计均可以保持较为一致的测量精度。
50.本实施例提供的流量补偿器9是一种主动补偿模块。如图6所示，流量补偿器9用于实时获取表头在实际测量过程中输出的流量检测值q，并根据流量检测值q查询一个预设的“流量-电流映射”，进而得到电磁体组82的驱动电流信号i
ya
。然后通过向电磁体组82中的各个电磁单元820实时输出相应的激励电流，使得电磁体组82在叶轮轴7的两端产生相应的附加动态磁场，叶轮轴7在恒磁场和动态磁场共同驱动下始终位于轴套4径向的中央位置。
51.在本实施例中，电磁体组82中包含多个电磁单元820，i＝n；其中n为电磁体组82中的电磁单元820的数量。因此，本实施例输出到磁性轴承8的电磁体组82上的驱动电流信号i
ya
实际上是一个一维数组，该数组啮内包含各个电磁单元820对应的驱动电流ii。
52.考虑到在本实施例中，用于实现纠偏的动态磁场与叶轮轴7的偏移状态有关，而叶轮轴7的偏移状态又和流体的流速(或瞬时流量)具有极大的相关性。因此本实施例的切向涡轮流量计在产品设计和测试阶段利用真实实验数据对产品测量过程进行仿真模拟，进而获取到各个流量测量值(即瞬时流量)与实现叶轮3动态纠偏所需的各个电磁单元820上对
应的不同驱动电流信号间的映射关系。该映射关系称为“流量-电流映射”。通常，对于一个已经完成设计的特定结构的切向涡轮流量计，“流量-电流映射”是一种确定的映射关系。利用该映射关系可以在任意流量状态下，通过向磁性轴承8输出相应的纠偏控制信号，产生所需的动态磁场，进而驱动叶轮轴7恢复到轴套4径向的中央位置。当待测流体的实时流量发生变化时，在驱动信号的激励下，所有电磁单元820产生的动态磁场也会随之发生变化，保持叶轮轴7承受的流体的冲击作用与在磁场内受力状态相平衡。
53.在本实施例中，切向涡轮流量计中的流量补偿器9是一种用于完成特定任务的电路或芯片。具体地，如图7所述，流量补偿器9中包含流量采集单元91、存储单元92、查询单元93和驱动信号输出单元94。其中，存储单元92用于存储预先构建出的“流量-电流映射”。流量采集单元91用于实时采集所表头在上一时刻输出的流量值。查询单元93用于根据表头在上一个时刻输出的流量值，查询“流量-电流映射”，进而得到对应的驱动电流信号i
ya
。驱动电流信号i
ya
中包含每个电磁单元820对应的驱动电流ii。驱动信号输出模块用于根据驱动电流信号i
ya
向各个电磁单元820输出相应的激励电流信号；进而由各个电磁单元820在激励条件下产生所需的目标动态磁场。
54.本实施例，流量补偿器9实际上实现了一种反馈控制的功能，并利用构建的负反馈控制系统实现测量结果的“动态校准”。不同于常规的涡轮流量计采用仪表系数对测量结果进行数值校正；本实施例构建的负反馈控制过程是通过对流量计的结构进行自动调整从而优化或消除仪表的系统误差。
55.在本实施例中，为了实现通过芯片和程序实施上述负反馈控制过程，特别将获取的“流量-电流映射”转换为一个数值对照表，数值对照表中建立用于表征流量检测值q的数值构成的集合a与用于表征驱动电流信号i
ya
的数组构成的集合b之间的映射关系。有了反映所述“流量-电流映射”的数值对照表之后，查询单元93用于通过查表法获取所需的驱动电流信号i
ya
。
56.在本实施例中，数值对照表的数据密度越高越好，因此在涡轮流量计前期的测试阶段需要采集更多的试验数据。但是由离散数据构成的数值对照表必然无法覆盖所有流量检测结果。因此本实施例在不影响控制精度前提下，采用数据近似的方式对数量对照表进行应用。在查询单元93的查表过程中，当表头在上一时刻输出的流量值位于两个相邻的数值之间时，查询单元93输出与表头在上一时刻输出的流量值最接近的流量检测值q对应的驱动电流信号i
ya
。当表头在上一时刻输出的流量值等于两个相邻的数值的中值时，查询单元93输出较小的流量检测值q对应的对应的驱动电流信号i
ya
。
57.此外，针对数值对照表只包含离散数据的问题，在其它实施例中还可以利用各类仿真软件，将反映“流量-电流映射”结果的数值对照表拟合为一个相应的函数组，然后利用拟合函数组来代替查询单元93实施前述反馈控制过程。
58.在本实施例设计的方案中，切向涡轮流量计产品中安装的磁性轴承8的数量并不做限制。既可以为两个，也可以为多个。但是由于磁性轴承8主要用于在叶轮轴7上产生动态磁场，对叶轮轴7的位置偏移状态进行纠正；因此施加到叶轮轴7上的磁场应当保持对称；否则会导致叶轮3的转动状态不稳定。所以本实施例中安装的磁力轴承的数量实际上必须要为大于等于2的偶数。
59.在大部分的涡轮流量计中，只需要在叶轮轴7的两端分别安装一个磁性轴承8即可
实现前述技术目标。如本实施例的技术方案中只在两个轴套4端部分别安装了一个磁性轴承8。但是，在其它实施例中，当两个磁力轴承产生的动态磁场不足以平衡涡轮流量计在最大流速条件下的应力作用时；则需要进一步增加设计的磁性轴承8的数量或限制流量计的理论量程。并且当设计的磁性轴承8的数量大于两组时，各个磁性轴承8也需要以叶轮3所在平面为对称面进行对称装配。
60.本实施例提供的磁性轴承8中，永磁体组81和电磁体组82是沿轴承的轴向间隔设置的。因此，在装配状态下，位于叶轮3两侧且位置对应的两个磁性轴承8中，永磁体和电磁体的装配位置也相互对称。即：本实施例的技术方案不仅需要磁性轴承8的装配位置保持对称，还需要叶轮3两侧的永磁体组81和电磁体组82的相对位置在装配过程也保持对称。例如将叶轮3两侧的电磁体组82均靠内装配或靠外装配；只要采用这种装配方式，才保证两个磁性轴承8上产生的恒磁场和动态磁场在空间上保持对称。
61.在本实施例设计的切向涡轮流量计中，为了避免轴套4对磁性轴承8的产生的磁场的分布造成影响，本方案中的轴套4需要特别选用非导磁性的陶瓷轴套4。具体地，本实施例采用了红宝石材质的轴套4。此外，考虑到外界磁场也可能对磁性轴承8的性能造成影响，因此两个磁性轴承8的外部还设置了相应的磁屏蔽组件。
62.除了设置磁屏蔽组件之外，考虑到涡轮流量计在实际应用的过程中，还需要利用磁场测量涡轮的转速，因此涡轮的安装位置本身需要产生相应的检测磁场。因此本实施例在技术方案的设计之初就将叶轮3中的叶轮轴7进行延长，扩大叶轮轴7的端部和叶轮3之间的间距。使得施加叶轮3上的检测磁场与施加在叶轮轴7上的动态磁场和恒磁场在空间上保持距离，消除二者的相互干扰。特别地，本实施例在检测叶轮3转速的转速测量模块区域也设计了相应的磁场屏蔽组件。
63.在本实例的技术方案中，采用过盈配合的方式实现轴套4和磁性轴承8的装配。在结构上，红宝石轴套4的内径与磁性轴承8的外径相匹配，因此，磁性轴承8可以直接套设在轴套4内部。在装配过程中，可以先对磁性轴承8进行冷冻处理，或对轴套4进行加热处理，使得二者发生热胀冷缩。然后将结构尺寸发生变化的磁性轴承8插入到轴套4的内腔中；待轴套4和磁性轴承8恢复到环境温度，二者的结构尺寸也会自动恢复到原始状态，此时，轴套4和磁性支撑即可实现紧密连接。
64.本实施的技术方案中通过“磁悬浮”而非机械连接的方式完成叶轮轴7和轴套4的装配；因此叶轮轴7和叶轮3构成的组合体的质量对于“磁悬浮”状态的有效性具有极大影响，二者的质量越大，“磁悬浮”状态则越难实现。本实施例分别通过材料和工艺两个方向上的改进来克服这一技术难点，并实现叶轮3和叶轮轴7的轻质化。
65.具体地，本实施例中的叶轮3采用复合材料并通过3d打印的加工方式制备而成。在叶轮3中，叶片采用填充有导磁性材料的树脂材料制备而成，叶轮3具有导磁性，且叶轮3的材料密度也小于常规的涡轮用不锈钢材料；这种复合材料的叶轮3可以完全代替现有的不绣钢叶轮3。
66.此外，叶轮3的材料选型还需要考虑测量的流体的性质。例如针对具有强氧化性的介质进行流量测量时，采用的叶轮3材料必须选择可耐受该输送介质的材料。由此可见，叶轮3制备所用的复合材料除了采用成分填充型的产品之外，还可以采用镀膜型的产品。例如在树脂基材料制备的叶轮3表面采用化学或物理的方式生成具有特殊性能的镀层。进而使
得叶轮3既保持轻质化，还可以耐受各种腐蚀性的输送介质。
67.需要强调的是，本实施例中的叶轮3之所以选择具有导磁性的材料进行制备，主要是为了便于通过磁感应的方式对叶轮3转速进行测量。在其它实施例中，当随着技术的进步，技术人员开发出采用非电磁信号方式测量涡轮转速的方案时，叶轮3也可以直接采用非导磁性材料进行制备。如树脂材料、碳纤维材料等等。
68.特别地，本实施例中的叶轮轴7也采用复合材料制备而成。与叶轮3不同，在叶轮轴7中，磁性轴承8只需要在特定位置产生磁场，就可以对整个叶轮轴7产生“支撑”效果。因此本实施例提供的叶轮轴7采用分段结构，其中，与各个磁性轴承8位置对应分段采用马氏体不锈钢材料制备而成，既保证了材料强度，又保证了叶轮轴7的导磁性能。而叶轮轴7的其它分段则采用密度小于铁的轻质有机高分子材料制备而成。当然，在技术条件允许的情况下，还可以采用空心管作为叶轮轴7，或采用双包层或多包层结构制备叶轮轴7.通过这种方式可以在保证保持叶轮轴7的结构强度和导磁性的基础上，进一步实现叶轮轴7的轻质化。
69.实施例2
70.本实施例提供了一种涡轮流量计的叶轮3纠偏测试方法，该测试方法测试的流量计即为实施例1中基于侧悬浮的切向涡轮流量计。在涡轮流量计中，叶轮3两端的轴套4内设置磁性轴承8；每组磁性轴承8中均包括永磁体组81和电磁体组82。磁性轴承8中的永磁体组81和电磁体组82通过分别产生恒磁场和动态磁场来平衡涡轮的重力以及流体造成的动态负载的影响，进而保持叶轮轴7始终位于轴套4中央。
71.本实施例提供的测试方法主要的任务是在磁性轴承8中电磁体组82的激励电流与流量计的测量结果间建立映射关系。建立的映射关系可以便于根据流量计的测量结果对流量计内的磁性轴承8产生的动态磁场进行反馈控制，进而利用动态磁场实现对叶轮3位置进行自动纠偏。
72.具体地，如图8所示，本实施例提供的测试方法包括如下步骤：
73.s1：选择两个结构和参数完全相同，且均安装有磁性轴承8的涡轮流量计。将其中一个涡轮流量计作为基准流量计，另一个涡轮流量计作为测试流量计。
74.对于基准流量计和测试流量计而言，涡轮流量计内安装的磁性轴承8中的永磁体组81由沿周向分布的多个永磁单元810构成，电磁体组82由沿轴向分布的多个独立的电磁单元820构成。永磁体组81和电磁体并列对称安装在叶轮轴7的两端。
75.在未向电磁体组82输出纠偏驱动信号的状态下，永磁体产生的恒磁场可以实现如下功能：在叶轮3腔中充盈有处于静止或匀速流动的待测流体的状态下，永磁体组81产生的恒磁场可以与叶轮轴7及叶轮3的组合体的重力和浮力平衡，进而使得叶轮轴7位于轴套4的中央，且与磁性轴承8的内环不接触。当经过流量计涡轮腔的流体流速发生变化时，叶轮轴7会发生位置偏移，此时，通过向电磁体组82输出相应的纠偏驱动信号后，可以在叶轮轴7两端的周向上施加同步的附加动态磁场。附加动态磁场用于平衡叶轮3和叶轮轴7上的负载，重新将叶轮轴7恢复到初始位置。
76.s2：在基准流量计中安装涡轮偏移测量组件，在测试流量计中安装涡轮转速测量组件。涡轮偏移组件用于测量叶轮3在使用状态下相对初始位置的位置偏移量。涡轮转速测量组件用于采集涡轮的实时转速，进而便于计算出经过涡轮流量计的瞬时流量检测结果。
77.本实施例在基准流量计上安装的涡轮偏移测量组件包括沿叶轮3周向分布的多个
距离感应单元。每个距离感应单元用于测量自身于叶轮3外侧边缘的最小距离。涡轮偏移测量组件根据与各个方向上的距离感应结果分析出叶轮3的偏移方向和偏移距离。
78.具体地，本实施例的涡轮偏移测量组件中使用的距离感应单元包括磁体和感应线圈，磁体用于在安装位点处产生检测磁场，感应线圈用于获取检测磁场内产生的感应信号。当涡轮流量计的叶轮3在涡轮腔内的转动状态发生偏移时，叶轮3在检测磁场中的位置发生变化，进而导致磁路的磁阻变化并产生相应的感应信号。此时，距离感应单元根据感应信号的信号强度计算叶轮3与距离感应单元之间的实时间距。
79.特别地，本实施例中在测试流量计上安装的涡轮转速测量组件也包括磁体和感应线圈，磁体用于在安装位点处产生检测磁场，感应线圈用于获取检测磁场内产生的感应信号；当叶轮3在检测磁场中转动时，各个叶片会导致磁路的磁阻变化并产生相应的感应信号，通过感应信号的频率可以分析出叶轮3的实时转速。
80.分析上述内容可以发现，本实施例的测量方法在基准流量计和测试流量计上分别安装了采用相同组件的涡轮偏移测量组件和涡轮转速测量组件。两个组件的测量过程均通过采集涡轮叶片转动过程中造成的检测磁场内感应信号变化来实现的，因此如果将两组组件同时安装在一个涡轮流量计上，则二者的检测信号很容易发生干扰。之所以在两个不同的流量计上的分别安装涡轮偏移测量组件和涡轮转速测量组件，一方面是可以避免不同检测信号之间的干扰；另一方面是为了将测试流量计和基准流量计作为互为对照的样本组，消除无关因素对最终测试结果造成的影响。
81.s3：根据涡轮流量计的理论量程制定测试计划，测试计划中包含针对理论量程中的不同流量位点条件下的测试任务。
82.在本实施的测试计划中，测试任务就是在各个不同流量位点状态下确定叶轮轴7的位置偏移量，然后根据叶轮轴7的位置偏移量确定实现叶轮轴7纠偏的纠偏控制信号。当流量计理论量程中的所有流量位点均被测试完成之后，就可以得到流量计在整个量程中任意状态下的最佳“动态纠偏控制信号”。
83.通常来说，通过实际测试获取的纠偏控制信号都是离散分布的，通过对测试的流量位点进行加密可以有效提升纠偏控制信号的控制精度。但是过多的测试任务或造成较大的工作负荷和成本。并且当测试的流量伟点过于密集时，相邻测试位点造成叶轮轴7位置偏差可能难以有效分辨也无需进行主动纠正；此时部分测量流量位点就是无效的。因此，为了降低工作负担并尽量提高纠偏控制信号的控制精度。在本实施例制定的测试计划中，各个测试任务对应的流量位点沿理论量程平均分布，且相邻的流量位点间的最小间隔根据涡轮偏移测量组件的检测精度确定，以使得在相邻流量位点状态下，叶轮3发生的位置偏移能够被涡轮偏移测量组件分辨出来。
84.s4：将基准流量计和测试流量计置于完全相同的流体输送模拟环境下，依次模拟每个流量位点对应的流体输送状态，并实施各项测试任务。
85.在本实施例的测试任务中，需要为基准流量计和测试流量计提供满足各个测试流量位点要求的流体测量场景。因此本实施例通过特殊的流体循环系统为基准流量计和测试流量计生成流体输送模拟环境。在流体输送模拟环境中，流经基准流量计和测试流量计的流体流速是可控的；并且流体输送模拟环境采用的流体选择待测试的涡轮流量计在实际应用过程中检测的流体。即：如果测试的流量计被设计为用于测量水流的瞬时流量，则流体输
送模拟环境就采用水作为输送介质。
86.特别地，本实施例设计的流体输送模拟环境还在基准流量计和测试流量计的流体入口5端分别设置压力传感器，压力传感器用于测量输入到基准流量计或测试流量计内的流体的压强，进而判断二者在每个测试任务中的流体输送模拟环境的一致性。
87.s5：在每个流量位点对应的测试任务中，利用基准流量计上的涡轮偏移测量组件获取叶轮3的位置偏移量；然后根据位置偏移量查询得到叶轮轴7上磁性轴承8的理论纠偏控制指令。
88.理论纠偏控制指令通过仿真实验得到。在仿真实验中，针对叶轮3的不同位置偏移状态，计算机模拟通过向磁性轴承8中电磁体组82内的每个电磁单元820输出不同的激励信号，改变叶轮轴7不同方向上的磁场，进而利用动态磁场平衡叶轮轴7上的动态应力，并输出叶轮3在不同位置偏移状态对应的理论纠偏控制指令。
89.基于本实施例的磁性轴承8中电磁体组82的结构和参数，可以构建出相应的磁场模型；因此，在不同纠偏控制信号的驱动下，电磁体组82产生的动态磁场是可以自动生成的。同时，在不同的动态磁场条件下，叶轮轴7的力学模型也是可以通过计算机自动生成的。本实施例通过计算机中的仿真软件实现根据叶轮3偏移位置生成相应的理论纠偏控制指令的目的。
90.s6：向测试流量计和基准流量计同步输出相应的理论纠偏控制指令，并根据基准流量计上测出的叶轮3实时位置偏移量对理论纠偏控制指令进行微调，确定能够实现叶轮3位置精准纠偏的实际纠偏控制指令。
91.上步骤的理论纠偏控制指令是由计算机根据数学模型仿真得到的指令，因此在实际应用过程中，由于数学模型中添加的约束可能无法包含实际应用时所有的影响因素，进而导致无法实现精准纠偏，因此本实施例进一步通过技术人员根据实际纠偏效果对理论纠偏控制指令进行微调，得到更加精准的实际纠偏控制指令。
92.具体地，实际纠偏控制指令的获取方法如图9所示，包括如下步骤：
93.s61：测试人员首先检查基准流量计中根据理论纠偏控制指令产生的纠偏效果。
94.s62：当上步骤的纠偏效果未达到完全纠正时，由测试人员根据经验对理论纠偏控制指令中对应不同电磁单元820的激励信号进行人工修正。
95.s63：向基准流量计和测试流量计输出修正后的纠偏控制指令，并继续观察叶轮3的位置偏移状态。
96.s64：重复步骤s62-s63的操作，直到叶轮轴7恢复到初始位置。此时输出的控制指令为当前流量位点对应的实际纠偏控制指令。
97.s7：依次记录理论量程中的每个流量位点对应的由基准流量计测得的叶轮3的位置偏移量，由测试流量计根据涡轮转速转换出的流量检测结果，以及输出到基准流量计和测试流量计上的实际纠偏控制指令；并在三组变量间建立映射关系。
98.在本实施例中，希望建立的是流量测量结果和纠偏控制指令之间的映射关系，而叶轮3在不同流量检测场景下的位置偏移并非本实施例的方案实际关心的变量。叶轮3位置偏移量只是本实施例流量测量结果和纠偏控制指令之间的中间变量。本实施例的方案通过该中间变量建立流量测量结果和纠偏控制指令之间的映射关系。具体的，本实施例的测试方法最终将不同测量位点下的纠偏控制指令和流量检测结果之间的映射关系，输出为一个
数值对照表或一个拟合的函数组的形式；便于后续过程中进行实际应用。
99.结合上述内容可知，对于设计出的特定型号的基于磁悬浮的切向涡轮流量计产品，利用上述测试方法得出试验结果，可以设计出一个用于对测量过程中叶轮3位置偏移进行主动纠正的流量补偿器9。采用本实施例1中所述的磁性轴承8并安装相应的流量补偿器9后，该涡轮流量计就可以在较宽的量程范围内克服系统误差的影响，提高流量测量结果的精度和稳定性。此外，本实施例的方法也可以使得切向涡轮流量计适用于低速小流量的测量场景，并提升该测量场景下的测量精度。
100.实施例3
101.本实施例提供一种涡轮流量计流量补偿参数的测试系统，该测试系统主要用于实施如实施例2所述的涡轮流量计的叶轮3纠偏测试方法。
102.本实施例提供的测试系统的测试对象为如实施例1所述的基于磁悬浮的切向涡轮流量计。如图1-3所示，涡轮流量计包括表头和测量组件两个部分。其中，测量组件包括：基板1、涡轮壳2、叶轮3、两个轴套4、流体入口5和流体出口6。涡轮壳2的两侧固定连接在基板1上，轴套4固定连接在涡轮壳2上。叶轮3中叶轮轴7的两端分别套设在两个轴套4内，叶轮轴7和轴套4可转动连接。涡轮壳2中含有涡轮腔，叶轮3位于涡轮腔内。流体入口5和流体出口6位于涡轮腔的两侧，二者的连线方向构成流体通道。流体通道与叶轮3的转动面相切。表头用于采集叶轮3的转速，然后将叶轮3的转速值转换为计量出的流量检测结果并输出。
103.特别地，本实施例提供的测试系统测试的涡轮流量计中设置有两组磁性轴承8。磁性轴承8固定连接在每个轴套4的端部；叶轮轴7的两端分别贯穿对应的磁性轴承8的内孔。每组磁性轴承8中均包括永磁体组81和电磁体组82。永磁体组81由沿周向分布的多个永磁单元810构成，电磁体组82由沿轴向分布的多个独立的电磁单元820构成。在本实施例的涡轮流量计中，当叶轮3腔中充盈有处于静止或匀速流动的待测流体时，永磁体组81产生的恒磁场使得叶轮轴7位于轴套4的中央，且与磁性轴承8的内环不接触。即永磁体磁场作用与叶轮轴7及叶轮3的重力和浮力平衡。而电磁体组82用于在叶轮轴7两端的周向上施加同步的附加动态磁场；附加的动态磁场用于平衡叶轮轴7上随着流量而变化的负载。
104.如图10所示，本实施例提供的测试系统包括：基准流量计、流体模拟器、偏移感应单元、驱动信号生成模块，以及上位机。上位机分别与流体模拟器、被测流量计、基准流量计、位移感应模块和驱动信号生成模块电连接。
105.其中，基准流量计包含测量组件，基准流量计中的测量组件被测流量计中的测量组件的结构和参数完全相同。在本实施例的测试系统中，被测流量计即为实施例2中测试方法所言的测试流量计，被测流量计在测试过程中需要安装到系统上，在将被测流量计连接到测试系统上之后，被测流量计和基准流量计就构成了测试过程中的对照组。
106.本实施的流体模拟器包括容器、循环泵和循环管道。循环管道中包含测试通道和基准通道。测试通道用于连通被测流量计的流体入口5和流体出口6。基准通道用于连通基准流量计的流体入口5和流体出口6。流体模拟器用于在测试过程中为被测流量计和基准流量计模拟出同步的流体输送工况。
107.流体模拟器中的容器内盛装的流体为被测流量计实际应用时的流体。循环泵采用伺服电机驱动，上位机中预先建立有根据专家经验值确定不同流量位点对应的伺服电机的转速值。当执行不同流量位点的测试任务时，上位机查询到相应的转速值，并根据转速值向
伺服电机的控制器输出相应的控制信号；使得测试管道和基准管道中的流体流速恰好符合当前测试任务对应的流量位点。
108.偏移感应模块用于检测叶轮3在涡轮腔内的偏移状态。偏移感应模块中包括多个距离感应单元。每个距离感应单元安装在基准流量计的涡轮壳2上，并沿叶轮3的周向等间隔均匀布设，距离感应单元用于检测自身与叶轮3的转动轨迹外缘的最小距离。
109.本实施例的偏移感应模块中的距离感应单元可以选择采用激光雷达、红外距离传感器和电磁距离传感器中的任意一种传感器。目前市场上的激光雷达和红外距离传感器大多用于检测静态物体的位置，并且检测精度无法满足本实施例的要求。因此本实施例采用电磁距离传感器作为本实施例中距离感应单元。距离感应单元中包括磁体和感应线圈。磁体用于在安装位点处产生检测磁场，感应线圈用于获取检测磁场内产生的感应信号。当涡轮流量计的涡轮腔中的叶轮3转动过程发生偏移时，叶轮3在检测磁场中的位置发生变化，进而导致磁路的磁阻变化并产生相应的感应信号。位置感应单元根据感应信号的信号强度计算叶轮3与电磁距离传感器之间的实时间距。
110.本实施例中的驱动信号生成模块与被测流量计和基准流量计中的磁性轴承8电连接，并根据接收到的一个驱动指令向被测流量计或基准流量计中的磁性轴承8输出相应的纠偏控制信号。纠偏控制信号中包含每个电磁单元820的激励电流。本实施例的测试系统中，驱动信号生成模型接收的驱动指令由上位机发出。
111.本实施例提供的测试系统中的上位机用于对流体模拟器、被测流量计、基准流量计、位移感应模块和驱动信号生成模块的工作状态进行集中控制，然后在人工监督的状态下实现如实施例2所述的测试试验的过程。具体地，上位机杂运行过程中主要执行如下任务：(1)根据测试计划控制输送泵的运行功率，进而在测试通道和基准通道内同步模拟出满足测试流量位点的流体输送环境。测试计划中包含多个流量位点的测试任务。(2)采集不同流量位点条件下偏移感应模型的测量结果，并根据检测结果仿真出基准流量计的叶轮3在涡轮腔内的偏移状态。(3)根据叶轮3的偏移状态生成纠偏所需的目标动态磁场，并计算出生成目标动态磁场时各个电磁单元820对应的激励电流。(4)根据计算出的各个电磁单元820的激励电流向驱动信号生成模块输出相应的驱动指令。(5)记录测试计划中所述测试流量位点对应的叶轮3的偏移状态，以及叶轮3的不同偏移状态下实现纠偏时对应的纠偏控制信号。
112.特别地，本实施例提供的测试系统对基准流量计和被测流量计进行分立，二者在系统上的安装位置间隔较远，从而避免彼此之间发生的磁场干扰。另外，本实施例提供的测试系统还在基准流量计和被测流量计的轮轴上安装有第一屏蔽组件，第一屏蔽组件用于屏蔽外界磁场对磁性轴承8的纠偏动作造成的干扰。然后在基准流量计的涡轮壳2上安装有第二屏蔽组件，第二屏蔽组件用于屏蔽外界磁场对偏移感应模块的检测精度造成的干扰。最后在被测流量计的涡轮壳2上安装有第三屏蔽组件，第三屏蔽组件用于屏蔽外界磁场对叶轮3转速检测结果的精度造成的影响。
113.本实施例提供的测试系统在针对某个被测流量计执行测试任务时，测试计划是由人工制定的，测试人员首先根据被策略路径的设计参数确定理论量程，在上位机执行的测试计划中，实施测试的流量位点的区间范围根据被测流量计的理论量程确定，测试任务中的流量位点包含被测流量计理论量程的上限和下限。接下来，测试人员再结合测试目标对
控制精度的要求，确定理论量程中各个测试流量位点的间隔。在本实施例制定的测试计划中，相邻两个流量位点的间隔由偏移感应模块的检查精度确定；并满足：相邻流量位点状态下造成的叶轮轴7的位置偏移量能够被偏移感应模块分辨出来。最后将确定需要实际开展测试任务的各个流量位点作为数据集输入到上位机中。上位机获取到该数据集后，根据各测试流量位点依次模拟出相应的流体输送场景，并采集测试数据。
114.具体地，本实施例提供的测试系统的测试过程如下：
115.上位机首先在基准流量计和被测流量计上模拟相应的流体输送场景，然后获取基准流量计中安装的偏移感应模块的检测结果，确定在当前流量位点下的叶轮3位置偏移状态。上位机根据采集到的叶轮3位置偏移状态自动生成一个对应的理论纠偏控制信号，并同步输出到基准流量计和被测流量计的磁性轴承8上。基准流量计和被测流量计根据接收到理论纠偏控制信号对叶轮轴7的位置进行初步纠正。初步纠正后，偏移感应模块继续采集叶轮3的位置偏移状态，如果确定已经纠偏完成，则将当前的理论纠偏控制信号作为当前流量位点状态下的实际纠偏信号；如果理论纠偏控制指令无法对叶轮3实现准确纠偏，则由测试人员根据实际的位置偏移状态在上位机上对输出的理论纠偏控制信号进行微调，直到叶轮3恢复到初始位置。此时，记录修正后的纠偏控制指令作为当前流量位点下的实际纠偏控制指令。
116.在实现叶轮3位置纠偏之后，上位机再采集被测流量计的表头计量到的当前流量位点对应的实测流量结果。上位机依次完成所有流量位点的测试任务后，就可以得到各个测量结果对应的纠偏控制信号。当测试计划全部技术后，上位机再以采集到的叶轮3的各个偏移状态为中间变量，在被测流量计的各个流量检测值和纠偏控制信号之间建议一一对应的映射关系；并以一个数值对照表或拟合的函数组的形式输出所述映射关系。
117.如前述实施例所言，被测流量计中还包括一个流量补偿器9。当上位机在测试计划完成后，将反映瞬时流量检测值和纠偏控制信号间映射关系的数值对照表或拟合的函数组的作为流量补偿参数，并写入到流量补偿器9中。在写入流量补偿参数后，流量补偿器9可以在被测流量计实际检测过程中根据表头输出的瞬时流量的值，自动生成相应的纠偏控制信号，进而通过磁性轴承8对叶轮轴7的偏移进行自动修正。
118.以上所述实施例仅表达了本发明的其中一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。