開封市中儀流量儀表有限公司
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閱讀：380發(fā)布時間：2022-1-5
渦街流量計(jì)因其結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、壓損小。量程范圍寬等特點(diǎn)在液體測量中有著廣泛應(yīng)用。其原理是，當(dāng)液體經(jīng)過管道中的旋渦發(fā)生體時，所產(chǎn)生旋渦的振動頻率與流速成正比。在渦街流量變送器中，以壓電晶體或差動電容作傳感器，將檢測到的微弱振動信號放大、濾波、驅(qū)動后，輸出其頻率與瞬時體積流量成正比的脈沖信號，整個電路制成賀型印刷線路板，俗稱放大板。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。近年來許多企業(yè)已逐步采用儀器分布管理模式，這就要求多個測量點(diǎn)的流量信號統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成4－20mA，再送到計(jì)算機(jī)中集中臨近和管理，因此出現(xiàn)了二線制的4－20mA渦街流量變送器，它是在原來放大板后面連一塊轉(zhuǎn)換板而成，轉(zhuǎn)換板由f / V和V / I電路組合，將原來放大板輸出的頻率信號轉(zhuǎn)換成4－20mA輸出。
"> 儀表系數(shù)非線性的影響
傳感器輸出信號非線性是制約渦街流量變送器精度提高的最重要因素，非線性造成各個流量區(qū)間表系數(shù)K不是常數(shù)。儀表系數(shù)定義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定義為（Kmax－Kmin）/ （Kmax＋Kmin）×99%。通常，輸出脈沖頻率信號的常量變送器的準(zhǔn)確度標(biāo)稱只能達(dá)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(jié)的加入，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)定性卻滿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)列于表1。
表1
| 流量/Nm3·h－1 | 基本誤差d I(%) | 檢定點(diǎn)重復(fù)性Eri(%) |
| 150 | 0. 820 | 0. 169 |
| 300 | 0.169 | 0.226 |
| 450 | －0.271 | 0.143 |
| 675 | －0. 694 | 0.160 |
| 800 | －0. 302 | 0.217 |
每個流量點(diǎn)測3次，取平均值。從表1的數(shù)據(jù)可以看出，這臺表的基本誤差為0.82，只能被定為1級。設(shè)想，如能將5點(diǎn)的儀表常數(shù)按對應(yīng)點(diǎn)的誤差給予校正，則有望將儀表的精度提高。應(yīng)該注意的是：儀表精度等級的提高是建立在檢定的重復(fù)誤差較小基礎(chǔ)之上的，而重復(fù)性較好正是渦街流量計(jì)的特點(diǎn)。反過來說，如果重復(fù)性不好，非線性校正也就失去意義，非線性校正的效果受重復(fù)誤差的限制。上述這臺表的重復(fù)誤差為0.266%，經(jīng)過非線性校正，準(zhǔn)確度有望達(dá)到0.5級。
影響線性的因素很多，有可能來自檢測部件的材料、結(jié)構(gòu)、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
原放大板的電路結(jié)構(gòu)基本不變，只作微功耗改進(jìn)，在此基礎(chǔ)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)，信號和電源線以接插件相連。采用通用的二線制，包括放大板在內(nèi)的全部元器件都采用微功耗型，以滿足零點(diǎn)電流不超過4mA的要求。MCU采用MCS－51系列的89C2051，內(nèi)部的2個計(jì)數(shù)器/定時器T0、T1分別設(shè)為計(jì)數(shù)和工作方式，以對來自放大板的脈沖頻率進(jìn)行高精度檢測，運(yùn)算的結(jié)果通過10位分辨率串行D/AMAX504控制輸出電流。頻率檢測和D/A轉(zhuǎn)換這兩個中間過程的轉(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，不考慮校正，有以下正比線性關(guān)系式成立：
＝ 
＝ 
＝ 
（2）
式中：N是對應(yīng)輸出電流Ii時輸入到D/A中的數(shù)值。
但通常情況下，儀表常數(shù)Ki不是常量，一般做法是在測量范圍內(nèi)取平均值K作為參考。設(shè)各個流量點(diǎn)的實(shí)際儀表常數(shù)為Ki，并定義校正系數(shù)mi為
mi=K/Ki
于是，實(shí)際瞬時流量為
＝ 
3600＝ 
3600·mi= 
mi Ii (3)
上式表明，只要知道校正系數(shù)mi，將mi與現(xiàn)有的、根據(jù)頻率作線性計(jì)算出的電流Ii相乘，就可得到與校正后流量 
所對應(yīng)的電流。各mi在標(biāo)定變送器時求出，由校正后的電流mi Ii得出數(shù)據(jù)N，并輸入到D/A去控制輸出電流，就可以達(dá)到校正目的。綜上所述，在二線制變送器中，對輸出電流的校正實(shí)際上就是對儀表系數(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，再通過系統(tǒng)機(jī)的計(jì)算和分析，就可以得到校正系數(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)的困難是：①渦街流量計(jì)儀表系數(shù)的非線性形態(tài)具有分散性，不適于用單一模式的曲線來擬合；②智能儀表不適合于輸入跨值很大的多項(xiàng)式系數(shù)。智能變送器的軟硬件設(shè)計(jì)要充分考慮到既能適應(yīng)檢定規(guī)程和現(xiàn)場操作要求，又要與智能儀表簡約設(shè)計(jì)的風(fēng)格相符，應(yīng)力求以最少輸入數(shù)據(jù)量來達(dá)到目的、輸入法及算法應(yīng)簡單實(shí)用。
3.3."> 調(diào)整系數(shù)bi的輸入
令
mi＝1＋0.001bi；I＝1，2，3，4，5
bi定義為調(diào)整系數(shù)，為2位十進(jìn)制，用bi來代替mi是因?yàn)榍罢咻斎牒唵危脭?shù)據(jù)少，占用MCU的內(nèi)存最少。設(shè)計(jì)中令bi總大于0，這樣就避免了輸入負(fù)數(shù)（下調(diào)電流）的不便，當(dāng)bi的值從00變化到99時，可對電流輸出（或K值）實(shí)現(xiàn)為9.9%幅度的調(diào)整，這個范圍已能滿足通常的要求。圖2中，直線AB顯示智能換板輸出電流與輸入頻率接近理想的線性關(guān)系，為了保證bi總大于0即mi總大于1。在校驗(yàn)前，應(yīng)通過調(diào)滿量程參數(shù)先使各流量點(diǎn)的電流普遍降低，即使直線AB的低利率減小，給全區(qū)校正時電流的上拉預(yù)留下空間，同時在滿量這一點(diǎn)專設(shè)了b5作上拉校正用，以保證校正后在通過滿量程流量時能正確地回到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)入?yún)?shù)設(shè)定修改狀態(tài)，其顯示和鍵盤可參看圖1。這一輸入法保證了bi的方便置入。在線檢定時，可根據(jù)實(shí)時標(biāo)定流量調(diào)整對應(yīng)的bi，當(dāng)調(diào)至儀表顯示流量與實(shí)時標(biāo)定流量相等時，按寫入鍵將bi值寫入E2PROM保存；也可以在校驗(yàn)后根據(jù)各點(diǎn)實(shí)際流量所對應(yīng)輸出電流與實(shí)時輸出的電流之間的誤差，計(jì)算出各點(diǎn)bi并置入。
3.3.2 全量程校正
當(dāng)5個流量點(diǎn)的輸出電流校正后，則可以用過5點(diǎn)及零點(diǎn)的5段標(biāo)號分別為1－5的折線來表示變送器校正后的電流輸出曲線，如圖2所示。程序按照線性插值法校正任意流量點(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依次比較，以確定在哪一段折線上校正，當(dāng)確定為j號線上后，按式（4）計(jì)算該流量點(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)，因?yàn)榱泓c(diǎn)事先已調(diào)好，校正量自然為0。圖2中標(biāo)出了對應(yīng)頻率為f這一點(diǎn)需要校正的電流 
Ii, 
Ii=0.0001bx Ii，按式（4）計(jì)算bx的算式為
bx=b4＋（b4－b4-1）
4 結(jié)束語
智能二線制4－20mA渦街流量變送器還可實(shí)現(xiàn)瞬時流量、輸出電流、輸出頻率的邊疆或循環(huán)顯示；可在線瀏覽、設(shè)定和存儲以下參數(shù)：滿量程數(shù)、5點(diǎn)調(diào)整系數(shù)、濾波輸出阻尼系數(shù)以及零點(diǎn)和滿度調(diào)整系數(shù)等。它除了有有效地提高儀表的精度等級和檔次，還具有操作簡便，調(diào)試方便、通用等優(yōu)點(diǎn)。它應(yīng)DCS用戶需要而開發(fā)，下一步的目標(biāo)是向HART總線靠攏。
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