提出了一體化智能二線制渦街流量變送器對(duì)儀表系數(shù)的非線性進(jìn)行校正的方法。介紹了它的結(jié)構(gòu)、校正運(yùn)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(diào)試方便和通用等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞　儀表系數(shù)　非線性校正　流量變送器　智能變送器　渦街流量計(jì)
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)在液體測(cè)量中有著廣泛應(yīng)用。其原理是，當(dāng)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(cè)到的微弱振動(dòng)信號(hào)放大、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信號(hào)，整個(gè)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(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)已逐步采用儀器分布管理模式，這就要求多個(gè)測(cè)量點(diǎn)的流量信號(hào)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(lái)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(lái)放大板輸出的頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換成4－20mA輸出。
">　儀表系數(shù)非線性的影響
傳感器輸出信號(hào)非線性是制約渦街流量變送器精度提高的zui重要因素，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)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）×。通常，輸出脈沖頻率信號(hào)的常量變送器的準(zhǔn)確度標(biāo)稱只能達(dá)到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(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大為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，則有望將儀表的精度提高。應(yīng)該注意的是：儀表精度等級(jí)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(guò)來(lái)說(shuō)，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(tái)表的重復(fù)誤差zui高為0.266%，經(jīng)過(guò)非線性校正，準(zhǔn)確度有望達(dá)到0.5級(jí)。
影響線性的因素很多，有可能來(lái)自檢測(cè)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(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(hào)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(guò)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/定時(shí)器T0、T1分別設(shè)為計(jì)數(shù)和工作方式，以對(duì)來(lái)自放大板的脈沖頻率進(jìn)行高精度檢測(cè)，運(yùn)算的結(jié)果通過(guò)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)中間過(guò)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：
　　　　   （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，不考慮校正，有以下正比線性關(guān)系式成立：
　　　　  ＝  ＝  ＝  　　　　?。?）
式中：N是對(duì)應(yīng)輸出電流Ii時(shí)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(cè)量范圍內(nèi)取平均值K作為參考。設(shè)各個(gè)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(shí)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(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(duì)輸出電流的校正實(shí)際上就是對(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，再通過(guò)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(lái)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(chǎng)操作要求，又要與智能儀表簡(jiǎn)約設(shè)計(jì)的風(fēng)格相符，應(yīng)力求以zui少輸入數(shù)據(jù)量來(lái)達(dá)到目的、輸入法及算法應(yīng)簡(jiǎn)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(lái)代替mi是因?yàn)榍罢咻斎牒?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(shí)，可對(duì)電流輸出（或K值）實(shí)現(xiàn)zui大為9.9%幅度的調(diào)整，這個(gè)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(guò)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(shí)電流的上拉預(yù)留下空間，同時(shí)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(guò)滿量程流量時(shí)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(shí)，可根據(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(duì)應(yīng)輸出電流與實(shí)時(shí)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(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)分別為1－5的折線來(lái)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(hào)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(duì)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(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、輸出頻率的邊疆或循環(huán)顯示；可在線瀏覽、設(shè)定和存儲(chǔ)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(jí)和檔次，還具有操作簡(jiǎn)便，調(diào)試方便、通用等優(yōu)點(diǎn)。它應(yīng)DCS用戶需要而開(kāi)發(fā)，下一步的目標(biāo)是向HART總線靠攏。
參考文獻(xiàn)
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