智能渦街流量變送器對(duì)儀表系數(shù)校正的方式

0　引言

渦街流量計(jì)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、壓損小。量程范圍寬等特點(diǎn)在液體丈量中有著普遍運(yùn)用。其原理是，當(dāng)液體經(jīng)過(guò)管道中的漩渦發(fā)生體時(shí)，所發(fā)生漩渦的振動(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(cè)到的微弱振動(dòng)旌旗燈號(hào)放年夜、濾波、驅(qū)動(dòng)后，輸出其頻率與瞬時(shí)體積流量成正比的脈沖旌旗燈號(hào)，整個(gè)電路制成賀型印刷線路板，俗稱(chēng)放年夜板。這類(lèi)變送器適用于渙散模式，每臺(tái)變送器配接1臺(tái)基于頻率檢測(cè)的流量積算儀。近年來(lái)許多企業(yè)已慢慢采用儀器散布經(jīng)管模式，這就要求多個(gè)丈量點(diǎn)的流量旌旗燈號(hào)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成4－20mA，再送到計(jì)較機(jī)中集中臨近和經(jīng)管，是以泛起了二線制的4－20mA渦街流量變送器，它是在原來(lái)放年夜板后面連一塊轉(zhuǎn)換板而成，轉(zhuǎn)換板由f/V和V/I電路組合，將原來(lái)放年夜板輸出的頻率旌旗燈號(hào)轉(zhuǎn)換成4－20mA輸出。

">　儀表系數(shù)非線性的影響

傳感器輸出旌旗燈號(hào)非線性是制約渦街流量變送器精度提高的zui重要身分，非線性造成各個(gè)流量區(qū)間表系數(shù)K不是常數(shù)。儀表系數(shù)界說(shuō)為每立方米流量所發(fā)生的及沖數(shù)。變送器的非線性誤差界說(shuō)為（Kmax－Kmin）/（Kmax＋Kmin）×100。凡是，輸出脈沖頻率旌旗燈號(hào)的常量變送器的準(zhǔn)確度標(biāo)稱(chēng)只能到達(dá)1－2級(jí)。而對(duì)于以電流輸出在渦街變送器，由于電路中f/V環(huán)節(jié)的加進(jìn)，基于RC充放電的f/V轉(zhuǎn)換電路雖然有較高的分辨率，但線性及穩(wěn)定性卻知足不了較高精度的轉(zhuǎn)換要求。

2　校正的機(jī)理及效果

抽取1臺(tái)威海賽博儀器儀表公司生產(chǎn)的f500mm電容式渦街流量計(jì)為例，其變送器檢驗(yàn)數(shù)據(jù)列于

每一個(gè)流量點(diǎn)測(cè)3次，取平均值。從表1的數(shù)據(jù)可以看出，這臺(tái)表的基本誤差zui年夜為0.82，只能被定為1級(jí)。設(shè)想，如能將5點(diǎn)的儀表常數(shù)按對(duì)應(yīng)點(diǎn)的誤差給予校正，則有看將儀表的精度提高。應(yīng)當(dāng)注重的是：儀表精度品級(jí)的提高是建立在檢定的重復(fù)誤差較小根蒂根基之上的，而重復(fù)性較好正是渦街流量計(jì)的特點(diǎn)。反過(guò)來(lái)說(shuō)，若是重復(fù)性欠好，非線性校正也就失往意義，非線性校正的效果受重復(fù)誤差的限制。上述這臺(tái)表的重復(fù)誤差zui高為0.266，經(jīng)過(guò)非線性校正，準(zhǔn)確度有看到達(dá)0.5級(jí)。

影響線性的身分很多，有可能來(lái)自檢測(cè)部件的材料、結(jié)構(gòu)、工藝和放年夜電路的品質(zhì)等諸多方面，其中變送器自己的智能化、旌旗燈號(hào)變換與校正一體化是改善其精度的捷徑。

3　智能二線制4－20mA渦街流量變送器

3.">　結(jié)構(gòu)框圖

筆者主持設(shè)計(jì)的二線制4－20mA渦街流量變送器結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　二線制4－20mA渦街流量變送器結(jié)構(gòu)框圖

原放年夜板的電路結(jié)構(gòu)基本不變，只作微功耗改良，在此根蒂根基上加轉(zhuǎn)換板，2塊圓板固定在變送器圓柱型金屬殼體兩側(cè)，旌旗燈號(hào)和電源線以接插件相連。采用通用的二線制，包括放年夜板在內(nèi)的全數(shù)元器件都采用微功耗型，以知足零點(diǎn)電流不跨越4mA的要求。MCU采用MCS－51系列的89C2051，內(nèi)部的2個(gè)計(jì)數(shù)器/按時(shí)器T0、T1劃分設(shè)為計(jì)數(shù)和工作方式，以對(duì)來(lái)自放年夜板的脈沖頻率進(jìn)行高精度檢測(cè)，運(yùn)算的成效經(jīng)由過(guò)程10位分辨率串行D/AMAX504控制輸出電流。頻率檢測(cè)和D/A轉(zhuǎn)換這兩個(gè)中心進(jìn)程的轉(zhuǎn)換精度優(yōu)于0.1。

3.2　校正運(yùn)算

變送器的第i點(diǎn)瞬時(shí)流量由下式給出：

　　　　=3600(1)

式中：Ki儀表系數(shù)，理想的情況下為一常量。

圖1中，流過(guò)采樣負(fù)載電阻RL上的電流IiL=I0＋I(xiàn)i，其中I0為零點(diǎn)電流，調(diào)整為4mA，Ii由D/A控制，不斟酌校正，有以下正比線性關(guān)系式成立：

　　　　＝＝＝　　　　　（2）

式中：N是對(duì)應(yīng)輸出電流Ii時(shí)輸進(jìn)到D/A中的數(shù)值。

但凡是情況下，儀表常數(shù)Ki不是常量，一般做法是在丈量范圍內(nèi)取平均值K作為參考。設(shè)各個(gè)流量點(diǎn)的現(xiàn)實(shí)儀表常數(shù)為Ki，并界說(shuō)校正系數(shù)mi為

mi=K/Ki

因而，現(xiàn)實(shí)瞬時(shí)流量為

＝3600＝3600·mi=miIi(3)

上式講明，只要知道校正系數(shù)mi，將mi與現(xiàn)有的、憑據(jù)頻率作線性計(jì)較出的電流Ii相乘，就可獲得與校正后流量所對(duì)應(yīng)的電流。各mi在標(biāo)定變送器時(shí)求出，由校正后的電流miIi得出數(shù)據(jù)N，并輸進(jìn)到D/A往控制輸出電流，就能夠到達(dá)校正目的。綜上所述，在二線制變送器中，對(duì)輸出電流的校正現(xiàn)實(shí)上就是對(duì)儀表系數(shù)的非線性校正。

3.3　校正實(shí)現(xiàn)策略

理論上，只要有了5點(diǎn)校正系數(shù)mi，再經(jīng)由過(guò)程系統(tǒng)機(jī)的計(jì)較和分析，就能夠獲得校正系數(shù)粗略的曲線函數(shù)解析式，并據(jù)此校正。但具體實(shí)現(xiàn)的堅(jiān)苦是：①渦街流量計(jì)儀表系數(shù)的非線性形態(tài)具有渙散性，不適于用單一模式的曲線來(lái)擬合；②智能儀表不適合于輸進(jìn)跨值很年夜的多項(xiàng)式系數(shù)。智能變送器的軟硬件設(shè)計(jì)要充實(shí)斟酌到既能順應(yīng)檢定例程和現(xiàn)場(chǎng)操作要求，又要與智能儀表簡(jiǎn)約設(shè)計(jì)的氣概相符，應(yīng)力圖以zui少輸進(jìn)數(shù)據(jù)量來(lái)到達(dá)目的、輸進(jìn)法及算法應(yīng)簡(jiǎn)單實(shí)用。

3.3.">　調(diào)整系數(shù)bi的輸進(jìn)

令

mi＝1＋0.001bi；I＝1，2，3，4，5

bi界說(shuō)為調(diào)整系數(shù)，為2位十進(jìn)制，用bi來(lái)取代mi是由于前者輸進(jìn)簡(jiǎn)單，所用數(shù)據(jù)少，占用MCU的內(nèi)存zui少。設(shè)計(jì)中令bi總年夜于0，這樣就避免了輸進(jìn)負(fù)數(shù)（下調(diào)電流）的未便，當(dāng)bi的值從00變化到99時(shí)，可對(duì)電流輸出（或K值）實(shí)現(xiàn)zui年夜為9.9幅度的調(diào)整，這個(gè)范圍已能知足凡是的要求。圖2中，直線AB顯示智能換板輸出電流與輸進(jìn)頻率接近理想的線性關(guān)系，為了保證bi總年夜于0即mi總年夜于1。在校驗(yàn)前，應(yīng)經(jīng)由過(guò)程調(diào)滿(mǎn)量程參數(shù)先使各流量點(diǎn)的電流普遍下降，即使直線AB的低利率減小，給全區(qū)校正時(shí)電流的上拉預(yù)留下空間，同時(shí)在滿(mǎn)量這一點(diǎn)專(zhuān)設(shè)了b5作上拉校正用，以保證校正后在經(jīng)由過(guò)程滿(mǎn)量程流量時(shí)能準(zhǔn)確地回到20mA這一點(diǎn)。變送器中設(shè)計(jì)了手操軟件，按參數(shù)設(shè)置鍵“S”，進(jìn)進(jìn)參數(shù)設(shè)定修改狀態(tài)，其顯示和鍵盤(pán)可參看圖1。這一輸進(jìn)法保證了bi的利便置進(jìn)。在線檢按時(shí)，可憑據(jù)實(shí)時(shí)標(biāo)定流量調(diào)整對(duì)應(yīng)的bi，當(dāng)調(diào)至儀表顯示流量與實(shí)時(shí)標(biāo)定流量相等時(shí)，按寫(xiě)進(jìn)鍵將bi值寫(xiě)進(jìn)E2PROM保留；也能夠在校驗(yàn)后憑據(jù)各點(diǎn)現(xiàn)實(shí)流量所對(duì)應(yīng)輸出電流與實(shí)時(shí)輸出的電流之間的誤差，計(jì)較出各點(diǎn)bi并置進(jìn)。

3.3.2　全量程校正

當(dāng)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(biāo)號(hào)劃分為1－5的折線來(lái)暗示變送器校正后的電流輸出曲線，如圖2所示。法式依照線性插值法校正肆意流量點(diǎn)。

圖2　線性插值法校正輸出電流示意圖

圖2中，f1,f2,f3,f4及fmax依次比力，以肯定在哪一段折線上校正，當(dāng)肯定為j號(hào)線上后，按式（4）計(jì)較該流量點(diǎn)的調(diào)整系數(shù)bx：

bx=bj＋（bj－bj-1）(4)

在折線1上，b0按0計(jì)，由于零點(diǎn)事前已調(diào)好，校正量自然為0。圖2中標(biāo)出了對(duì)應(yīng)頻率為f這一點(diǎn)需要校正的電流Ii,Ii=0.0001bxIi，按式（4）計(jì)較bx的算式為

bx=b4＋（b4－b4-1）

4　竣事語(yǔ)

智能二線制4－20mA渦街流量變送器還可實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)流量、輸出電流、輸出頻率的邊疆或輪回顯示；可在線閱讀、設(shè)定和存儲(chǔ)以下參數(shù)：滿(mǎn)量程數(shù)、5點(diǎn)調(diào)整系數(shù)、濾波輸出阻尼系數(shù)和零點(diǎn)和滿(mǎn)度調(diào)整系數(shù)等。它除有有用地提高儀表的精度品級(jí)和檔次，還具有操作簡(jiǎn)潔，調(diào)試?yán)恪⑼ㄓ玫葍?yōu)點(diǎn)。它應(yīng)DCS用戶(hù)需要而開(kāi)發(fā)，下一步的方針是向HART總線靠攏。

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