智能渦街流量變送器對儀表系數校正方法

提出了一體化智能二線(xiàn)制渦街流量變送器對儀表系數的非線(xiàn)性進(jìn)行校正的方法。介紹了它的結構、校正運算和校正策略，能有效地提高儀表的精度。其具有操作簡(jiǎn)便、調試方便和通用等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞　儀表系數　非線(xiàn)性校正　流量變送器　智能變送器　渦街流量計
0　引言
渦街流量計因其結構簡(jiǎn)單、性能穩定、壓損小。量程范圍寬等特點(diǎn)在液體測量中有著(zhù)廣泛應用。其原理是，當液體經(jīng)過(guò)管道中的旋渦發(fā)生體時(shí)，所產(chǎn)生旋渦的振動(dòng)頻率與流速成正比。在渦街流量變送器中，以壓電晶體或差動(dòng)電容作傳感器，將檢測到的微弱振動(dòng)信號放大、濾波、驅動(dòng)后，輸出其頻率與瞬時(shí)體積流量成正比的脈沖信號，整個(gè)電路制成賀型印刷線(xiàn)路板，俗稱(chēng)放大板。這種變送器適用于分散模式，每一臺變送器配接1臺基于頻率檢測的流量積算儀。近年來(lái)許多企業(yè)已逐步采用儀器分布管理模式，這就要求多個(gè)測量點(diǎn)的流量信號統一轉換成4－20mA，再送到計算機中集中臨近和管理，因此出現了二線(xiàn)制的4－20mA渦街流量變送器，它是在原來(lái)放大板后面連一塊轉換板而成，轉換板由f / V和V / I電路組合，將原來(lái)放大板輸出的頻率信號轉換成4－20mA輸出。
">　儀表系數非線(xiàn)性的影響
傳感器輸出信號非線(xiàn)性是制約渦街流量變送器精度提高的zui重要因素，非線(xiàn)性造成各個(gè)流量區間表系數K不是常數。儀表系數定義為每立方米流量所發(fā)生的及沖數。變送器的非線(xiàn)性誤差定義為（Kmax－Kmin）/ （Kmax＋Kmin）×100%。通常，輸出脈沖頻率信號的常量變送器的準確度標稱(chēng)只能達到1－2級。而對于以電流輸出在渦街變送器，由于電路中f / V環(huán)節的加入，基于RC充放電的f / V轉換電路雖然有較高的分辨率，但線(xiàn)性及穩定性卻滿(mǎn)足不了較高精度的轉換要求。
2　校正的機理及效果
抽取1臺威海賽博儀器儀表公司生產(chǎn)的f500mm電容式渦街流量計為例，其變送器檢驗數據列于
每個(gè)流量點(diǎn)測3次，取平均值。從表1的數據可以看出，這臺表的基本誤差zui大為0.82，只能被定為1級。設想，如能將5點(diǎn)的儀表常數按對應點(diǎn)的誤差給予校正，則有望將儀表的精度提高。應該注意的是：儀表精度等級的提高是建立在檢定的重復誤差較小基礎之上的，而重復性較好正是渦街流量計的特點(diǎn)。反過(guò)來(lái)說(shuō)，如果重復性不好，非線(xiàn)性校正也就失去意義，非線(xiàn)性校正的效果受重復誤差的限制。上述這臺表的重復誤差zui高為0.266%，經(jīng)過(guò)非線(xiàn)性校正，準確度有望達到0.5級。
影響線(xiàn)性的因素很多，有可能來(lái)自檢測部件的材料、結構、工藝以及放大電路的品質(zhì)等諸多方面，其中變送器本身的智能化、信號變換與校正一體化是改善其精度的捷徑。
3　智能二線(xiàn)制4－20mA渦街流量變送器
3.">　結構框圖
筆者主持設計的二線(xiàn)制4－20mA渦街流量變送器結構框圖如圖1所示。

圖1　二線(xiàn)制4－20mA渦街流量變送器結構框圖
原放大板的電路結構基本不變，只作微功耗改進(jìn)，在此基礎上加轉換板，2塊圓板固定在變送器圓柱型金屬殼體兩側，信號和電源線(xiàn)以接插件相連。采用通用的二線(xiàn)制，包括放大板在內的全部元器件都采用微功耗型，以滿(mǎn)足零點(diǎn)電流不超過(guò)4mA的要求。MCU采用MCS－51系列的89C2051，內部的2個(gè)計數器/定時(shí)器T0、T1分別設為計數和工作方式，以對來(lái)自放大板的脈沖頻率進(jìn)行高精度檢測，運算的結果通過(guò)10位分辨率串行D/AMAX504控制輸出電流。頻率檢測和D/A轉換這兩個(gè)中間過(guò)程的轉換精度優(yōu)于0.1%。
3.2　校正運算
變送器的第i點(diǎn)瞬時(shí)流量由下式給出：
　　　　   （1）
式中：Ki儀表系數，理想的情況下為一常量。
圖1中，流過(guò)采樣負載電阻RL上的電流IiL=I0＋Ii，其中I0為零點(diǎn)電流，調整為4mA，Ii由D/A控制，不考慮校正，有以下正比線(xiàn)性關(guān)系式成立：
　　　　  ＝  ＝  ＝  　　　　?。?）
式中：N是對應輸出電流Ii時(shí)輸入到D/A中的數值。
但通常情況下，儀表常數Ki不是常量，一般做法是在測量范圍內取平均值K作為參考。設各個(gè)流量點(diǎn)的實(shí)際儀表常數為Ki，并定義校正系數mi為
        mi=K/Ki
于是，實(shí)際瞬時(shí)流量為
 ＝  3600＝  3600·mi=  mi Ii  （3）
上式表明，只要知道校正系數mi，將mi與現有的、根據頻率作線(xiàn)性計算出的電流Ii相乘，就可得到與校正后流量  所對應的電流。各mi在標定變送器時(shí)求出，由校正后的電流mi Ii得出數據N，并輸入到D/A去控制輸出電流，就可以達到校正目的。綜上所述，在二線(xiàn)制變送器中，對輸出電流的校正實(shí)際上就是對儀表系數的非線(xiàn)性校正。
3.3　校正實(shí)現策略
理論上，只要有了5點(diǎn)校正系數mi，再通過(guò)系統機的計算和分析，就可以得到校正系數粗略的曲線(xiàn)函數解析式，并據此校正。但具體實(shí)現的困難是：①渦街流量計儀表系數的非線(xiàn)性形態(tài)具有分散性，不適于用單一模式的曲線(xiàn)來(lái)擬合；②智能儀表不適合于輸入跨值很大的多項式系數。智能變送器的軟硬件設計要充分考慮到既能適應檢定規程和現場(chǎng)操作要求，又要與智能儀表簡(jiǎn)約設計的風(fēng)格相符，應力求以zui少輸入數據量來(lái)達到目的、輸入法及算法應簡(jiǎn)單實(shí)用。
3.3.">　調整系數bi的輸入
令
mi＝1＋0.001bi；I＝1，2，3，4，5
bi定義為調整系數，為2位十進(jìn)制，用bi來(lái)代替mi是因為前者輸入簡(jiǎn)單，所用數據少，占用MCU的內存zui少。設計中令bi總大于0，這樣就避免了輸入負數（下調電流）的不便，當bi的值從00變化到99時(shí)，可對電流輸出（或K值）實(shí)現zui大為9.9%幅度的調整，這個(gè)范圍已能滿(mǎn)足通常的要求。圖2中，直線(xiàn)AB顯示智能換板輸出電流與輸入頻率接近理想的線(xiàn)性關(guān)系，為了保證bi總大于0即mi總大于1。在校驗前，應通過(guò)調滿(mǎn)量程參數先使各流量點(diǎn)的電流普遍降低，即使直線(xiàn)AB的低利率減小，給全區校正時(shí)電流的上拉預留下空間，同時(shí)在滿(mǎn)量這一點(diǎn)專(zhuān)設了b5作上拉校正用，以保證校正后在通過(guò)滿(mǎn)量程流量時(shí)能正確地回到20mA這一點(diǎn)。變送器中設計了手操軟件，按參數設置鍵“S”，進(jìn)入參數設定修改狀態(tài)，其顯示和鍵盤(pán)可參看圖1。這一輸入法保證了bi的方便置入。在線(xiàn)檢定時(shí)，可根據實(shí)時(shí)標定流量調整對應的bi，當調至儀表顯示流量與實(shí)時(shí)標定流量相等時(shí)，按寫(xiě)入鍵將bi值寫(xiě)入E2PROM保存；也可以在校驗后根據各點(diǎn)實(shí)際流量所對應輸出電流與實(shí)時(shí)輸出的電流之間的誤差，計算出各點(diǎn)bi并置入。
3.3.2　全量程校正
當5個(gè)流量點(diǎn)的輸出電流校正后，則可以用過(guò)5點(diǎn)及零點(diǎn)的5段標號分別為1－5的折線(xiàn)來(lái)表示變送器校正后的電流輸出曲線(xiàn)，如圖2所示。程序按照線(xiàn)性插值法校正任意流量點(diǎn)。

圖2　線(xiàn)性插值法校正輸出電流示意圖
圖2中，f1, f2, f3, f4及fmax依次比較，以確定在哪一段折線(xiàn)上校正，當確定為j號線(xiàn)上后，按式（4）計算該流量點(diǎn)的調整系數bx：
bx=bj＋（bj－bj-1）          （4）
在折線(xiàn)1上，b0按0計，因為零點(diǎn)事先已調好，校正量自然為0。圖2中標出了對應頻率為f這一點(diǎn)需要校正的電流  Ii,  Ii=0.0001bx Ii，按式（4）計算bx的算式為
bx=b4＋（b4－b4-1）
4　結束語(yǔ)
智能二線(xiàn)制4－20mA渦街流量變送器還可實(shí)現瞬時(shí)流量、輸出電流、輸出頻率的邊疆或循環(huán)顯示；可在線(xiàn)瀏覽、設定和存儲以下參數：滿(mǎn)量程數、5點(diǎn)調整系數、濾波輸出阻尼系數以及零點(diǎn)和滿(mǎn)度調整系數等。它除了有有效地提高儀表的精度等級和檔次，還具有操作簡(jiǎn)便，調試方便、通用等優(yōu)點(diǎn)。它應DCS用戶(hù)需要而開(kāi)發(fā)，下一步的目標是向HART總線(xiàn)靠攏。

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