智能渦街流量變送器對儀表的校正方法

渦街流量計因其結構簡單、性能穩定、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，當液體經過管道中的旋渦發生體時，所產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間表系數K不是常數。儀表系數定義為每立方米流量所發生的及沖數。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，但線性及穩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的f500mm電容式渦街流量計為例，其變送器檢驗數據列于表1。

表1

每個流量點測3次，取平均值。從表1的數據可以看出，這臺表的基本誤差為0.82，只能被定為1級。設想，如能將5點的儀表常數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為0.266%，經過非線性校正，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渦街流量變送器

3.">　結構框圖

筆者主持設計的二線制4－20mA渦街流量變送器結構框圖如圖1所示。

圖1　二線制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，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，內部的2個計數器/定時器T₀、T₁分別設為計數和工作方式，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：

　　　　 = 3600                          (1)

式中：Ki儀表系數，理想的情況下為一常量。

圖1中，流過采樣負載電阻R_L上的電流I_iL=I₀＋I_i，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。設各個流量點的實際儀表常數為Ki，并定義校正系數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mi，將mi與現有的、根據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，在二線制變送器中，對輸出電流的校正實際上就是對儀表系數的非線性校正。

3.3　校正實現策略

理論上，只要有了5點校正系數mi，再通過系統機的計算和分析，就可以得到校正系數粗略的曲線函數解析式，并據此校正。但具體實現的困難是：①渦街流量計儀表系數的非線性形態具有分散性，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。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操作要求，又要與智能儀表簡約設計的風格相符，應力求以最少輸入數據量來達到目的、輸入法及算法應簡單實用。

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位十進制，用bi來代替mi是因為前者輸入簡單，所用數據少，占用MCU的內存最少。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，可對電流輸出（或K值）實現為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，按參數設置鍵“S”，進入參數設定修改狀態，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渦街流量變送器還可實現瞬時流量、輸出電流、輸出頻率的邊疆或循環顯示；可在線瀏覽、設定和存儲以下參數：滿量程數、5點調整系數、濾波輸出阻尼系數以及零點和滿度調整系數等。它除了有有效地提高儀表的精度等級和檔次，還具有操作簡便，調試方便、通用等優點。它應DCS用戶需要而開發，下一步的目標是向HART總線靠攏。