蒸汽流量計系數(shù)校正：
提出了一體化智能二線制渦街蒸汽流量計對儀表系數(shù)的非線性進行校正的方法。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。其具有操作簡便、調試方便和通用等特點。

關鍵詞　儀表系數(shù)　非線性校正　蒸汽流量計　智能變送器　渦街流量計

0　引言

渦街流量計因其結構簡單、性能穩(wěn)定、壓損小。量程范圍寬等特點在液體測量中有著廣泛應用。其原理是，當液體經(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。在渦街蒸汽流量計中，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的流量信號統(tǒng)一轉換成4－20mA，再送到計算機中集中臨近和管理，因此出現(xiàn)了二線制的4－20mA渦街蒸汽流量計，它是在原來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，將原來放大板輸出的頻率信號轉換成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蒸汽流量計精度提高的zui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)×。通常，輸出脈沖頻率信號的常量變送器的準確度標稱只能達到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(jié)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，但線性及穩(wěn)定性卻滿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(shù)據(jù)列于

每個流量點測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zui大為0.82，只能被定為1級。設想，如能將5點的儀表常數(shù)按對應點的誤差給予校正，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。反過來說，如果重復性不好，非線性校正也就失去意義，非線性校正的效果受重復誤差的限制。上述這臺表的重復誤差zui高為0.266%，經(jīng)過非線性校正，準確度有望達到0.5級。

影響線性的因素很多，有可能來自檢測部件的材料、結構、工藝以及放大電路的品質等諸多方面，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渦街蒸汽流量計

3.'>　結構框圖

筆者主持設計的二線制4－20mA渦街蒸汽流量計結構框圖如圖1所示。

圖1　二線制4－20mA渦街蒸汽流量計結構框圖

原放大板的電路結構基本不變，只作微功耗改進，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個計數(shù)器/定時器T0、T1分別設為計數(shù)和工作方式，以對來自放大板的脈沖頻率進行高精度檢測，運算的結果通過10位分辨率串行D/AMAX504控制輸出電流。頻率檢測和D/A轉換這兩個中間過程的轉換精度優(yōu)于0.1%。

3.2　校正運算

變送器的第i點瞬時流量由下式給出：

　　　　 (1)

式中：Ki儀表系數(shù)，理想的情況下為一常量。

圖1中，流過采樣負載電阻RL上的電流IiL=I0＋Ii，其中I0為零點電流，調整為4mA，Ii由D/A控制，不考慮校正，有以下正比線性關系式成立：

　　　　 ＝ ＝ ＝ 　　　　　(2)

式中：N是對應輸出電流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。設各個流量點的實際儀表常數(shù)為Ki，并定義校正系數(shù)mi為

mi=K/Ki

于是，實際瞬時流量為

＝ 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際上就是對儀表系數(shù)的非線性校正。

3.3　校正實現(xiàn)策略

理論上，只要有了5點校正系數(shù)mi，再通過系統(tǒng)機的計算和分析，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。但具體實現(xiàn)的困難是：①渦街流量計儀表系數(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式系數(shù)。智能變送器的軟硬件設計要充分考慮到既能適應檢定規(guī)程和現(xiàn)場操作要求，又要與智能儀表簡約設計的風格相符，應力求以zui少輸入數(shù)據(jù)量來達到目的、輸入法及算法應簡單實用。

3.3.'>　調整系數(shù)bi的輸入

令

mi＝1＋0.001bi；I＝1，2，3，4，5

bi定義為調整系數(shù)，為2位十進制，用bi來代替mi是因為前者輸入簡單，所用數(shù)據(jù)少，占用MCU的內(nèi)存zui少。設計中令bi總大于0，這樣就避免了輸入負數(shù)(下調電流)的不便，當bi的值從00變化到99時，可對電流輸出(或K值)實現(xiàn)zui大為9.9%幅度的調整，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系，為了保證bi總大于0即mi總大于1。在校驗前，應通過調滿量程參數(shù)先使各流量點的電流普遍降低，即使直線AB的低利率減小，給全區(qū)校正時電流的上拉預留下空間，同時在滿量這一點專設了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。變送器中設計了手操軟件，按參數(shù)設置鍵“S”，進入?yún)?shù)設定修改狀態(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)實時標定流量調整對應的bi，當調至儀表顯示流量與實時標定流量相等時，按寫入鍵將bi值寫入E2PROM保存；也可以在校驗后根據(jù)各點實際流量所對應輸出電流與實時輸出的電流之間的誤差，計算出各點bi并置入。

3.3.2　全量程校正

當5個流量點的輸出電流校正后，則可以用過5點及零點的5段標號分別為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。

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，當確定為j號線上后，按式(4)計算該流量點的調整系數(shù)bx：

bx=bj＋(bj－bj-1) (4)

在折線1上，b0按0計，因為零點事先已調好，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

智能二線制4－20mA渦街蒸汽流量計還可實現(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、設定和存儲以下參數(shù)：滿量程數(shù)、5點調整系數(shù)、濾波輸出阻尼系數(shù)以及零點和滿度調整系數(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，調試方便、通用等優(yōu)點。它應DCS用戶需要而開發(fā)，下一步的目標是向HART總線靠攏。