智能涡街流量变送器对仪表系数校正的方法
The Correction on Instrument Coefficient of Intelligent Vortex Flow Transmitter
摘要 提出了一体化智能二线制涡街流量变送器对仪表系数的非线性进行校正的方法。介绍了它的结构、校正运算和校正策略，能有效地提高仪表的精度。其具有操作简便、调试方便和通用等特点。
关键词 仪表系数 非线性校正 流量变送器 智能变送器 涡街流量计
0 引言
涡街流量计因其结构简单、性能稳定、压损小。量程范围宽等特点在液体测量中有着广泛应用。其原理是，当液体经过管道中的旋涡发生体时，所产生旋涡的振动频率与流速成正比。在涡街流量变送器中，以压电晶体或差动电容作传感器，将检测到的微弱振动信号放大、滤波、驱动后，输出其频率与瞬时体积流量成正比的脉冲信号，整个电路制成贺型印刷线路板，俗称放大板。这种变送器适用于分散模式，每一台变送器配接1台基于频率检测的流量积算仪。近年来许多企业已逐步采用仪器分布管理模式，这就要求多个测量点的流量信号统一转换成4－20mA，再送到计算机中集中临近和管理，因此出现了二线制的4－20mA涡街流量变送器，它是在原来放大板后面连一块转换板而成，转换板由f / V和V / I电路组合，将原来放大板输出的频率信号转换成4－20mA输出。
"> 仪表系数非线性的影响
传感器输出信号非线性是制约涡街流量变送器精度提高的最重要因素，非线性造成各个流量区间表系数K不是常数。仪表系数定义为每立方米流量所发生的及冲数。变送器的非线性误差定义为（Kmax－Kmin）/ （Kmax＋Kmin）×100%。通常，输出脉冲频率信号的常量变送器的准确度标称只能达到1－2级。而对于以电流输出在涡街变送器，由于电路中f / V环节的加入，基于RC充放电的f / V转换电路虽然有较高的分辨率，但线性及稳定性却满足不了较高精度的转换要求。
2 校正的机理及效果
抽取1台威海赛博仪器仪表公司生产的f500mm电容式涡街流量计为例，其变送器检验数据列于表1。
表1
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流量/Nm3·h－1
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基本误差d I(%)
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检定点重复性Eri(%)
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150
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0. 820
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0. 169
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300
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0.169
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0.226
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450
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－0.271
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0.143
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675
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－0. 694
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0.160
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800
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－0. 302
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0.217
|
每个流量点测3次，取平均值。从表1的数据可以看出，这台表的基本误差最大为0.82，只能被定为1级。设想，如能将5点的仪表常数按对应点的误差给予校正，则有望将仪表的精度提高。应该注意的是：仪表精度等级的提高是建立在检定的重复误差较小基础之上的，而重复性较好正是涡街流量计的特点。反过来说，如果重复性不好，非线性校正也就失去意义，非线性校正的效果受重复误差的限制。上述这台表的重复误差最高为0.266%，经过非线性校正，准确度有望达到0.5级。
影响线性的因素很多，有可能来自检测部件的材料、结构、工艺以及放大电路的品质等诸多方面，其中变送器本身的智能化、信号变换与校正一体化是改善其精度的捷径。
3 智能二线制4－20mA涡街流量变送器
3."> 结构框图
笔者主持设计的二线制4－20mA涡街流量变送器结构框图如图1所示。
图1 二线制4－20mA涡街流量变送器结构框图
原放大板的电路结构基本不变，只作微功耗改进，在此基础上加转换板，2块圆板固定在变送器圆柱型金属壳体两侧，信号和电源线以接插件相连。采用通用的二线制，包括放大板在内的全部元器件都采用微功耗型，以满足零点电流不超过4mA的要求。MCU采用MCS－51系列的89C2051，内部的2个计数器/定时器T0、T1分别设为计数和工作方式，以对来自放大板的脉冲频率进行高精度检测，运算的结果通过10位分辨率串行D/AMAX504控制输出电流。频率检测和D/A转换这两个中间过程的转换精度优于0.1%。
3.2 校正运算
变送器的第i点瞬时流量由下式给出：
= 3600 (1)
式中：Ki仪表系数，理想的情况下为一常量。
图1中，流过采样负载电阻RL上的电流IiL=I0＋Ii，其中I0为零点电流，调整为4mA，Ii由D/A控制，不考虑校正，有以下正比线性关系式成立：
＝ ＝ ＝ （2）
式中：N是对应输出电流Ii时输入到D/A中的数值。
但通常情况下，仪表常数Ki不是常量，一般做法是在测量范围内取平均值K作为参考。设各个流量点的实际仪表常数为Ki，并定义校正系数mi为
mi=K/Ki
于是，实际瞬时流量为
＝ 3600＝ 3600·mi= mi Ii (3)
上式表明，只要知道校正系数mi，将mi与现有的、根据频率作线性计算出的电流Ii相乘，就可得到与校正后流量 所对应的电流。各mi在标定变送器时求出，由校正后的电流mi Ii得出数据N，并输入到D/A去控制输出电流，就可以达到校正目的。综上所述，在二线制变送器中，对输出电流的校正实际上就是对仪表系数的非线性校正。
3.3 校正实现策略
理论上，只要有了5点校正系数mi，再通过系统机的计算和分析，就可以得到校正系数粗略的曲线函数解析式，并据此校正。但具体实现的困难是：①涡街流量计仪表系数的非线性形态具有分散性，不适于用单一模式的曲线来拟合；②智能仪表不适合于输入跨值很大的多项式系数。智能变送器的软硬件设计要充分考虑到既能适应检定规程和现场操作要求，又要与智能仪表简约设计的风格相符，应力求以最少输入数据量来达到目的、输入法及算法应简单实用。
3.3."> 调整系数bi的输入
令
mi＝1＋0.001bi；I＝1，2，3，4，5
bi定义为调整系数，为2位十进制，用bi来代替mi是因为前者输入简单，所用数据少，占用MCU的内存最少。设计中令bi总大于0，这样就避免了输入负数（下调电流）的不便，当bi的值从00变化到99时，可对电流输出（或K值）实现最大为9.9%幅度的调整，这个范围已能满足通常的要求。图2中，直线AB显示智能换板输出电流与输入频率接近理想的线性关系，为了保证bi总大于0即mi总大于1。在校验前，应通过调满量程参数先使各流量点的电流普遍降低，即使直线AB的低利率减小，给全区校正时电流的上拉预留下空间，同时在满量这一点专设了b5作上拉校正用，以保证校正后在通过满量程流量时能正确地回到20mA这一点。变送器中设计了手操软件，按参数设置键“S”，进入参数设定修改状态，其显示和键盘可参看图1。这一输入法保证了bi的方便置入。在线检定时，可根据实时标定流量调整对应的bi，当调至仪表显示流量与实时标定流量相等时，按写入键将bi值写入E2PROM保存；也可以在校验后根据各点实际流量所对应输出电流与实时输出的电流之间的误差，计算出各点bi并置入。
3.3.2 全量程校正
当5个流量点的输出电流校正后，则可以用过5点及零点的5段标号分别为1－5的折线来表示变送器校正后的电流输出曲线，如图2所示。程序按照线性插值法校正任意流量点。
图2 线性插值法校正输出电流示意图
图2中，f1, f2, f3, f4及fmax依次比较，以确定在哪一段折线上校正，当确定为j号线上后，按式（4）计算该流量点的调整系数bx：
bx=bj＋（bj－bj-1） (4)
在折线1上，b0按0计，因为零点事先已调好，校正量自然为0。图2中标出了对应频率为f这一点需要校正的电流 Ii, Ii=0.0001bx Ii，按式（4）计算bx的算式为
bx=b4＋（b4－b4-1）
4 结束语
智能二线制4－20mA涡街流量变送器还可实现瞬时流量、输出电流、输出频率的边疆或循环显示；可在线浏览、设定和存储以下参数：满量程数、5点调整系数、滤波输出阻尼系数以及零点和满度调整系数等。它除了有有效地提高仪表的精度等级和档次，还具有操作简便，调试方便、通用等优点。它应DCS用户需要而开发，下一步的目标是向HART总线靠拢。
参考文献
">唐怀璞">等">流量仪表中仪表系数的非线性修正">自动化仪表, 2000, 21(11): 4—6
2 梁国伟">等">流量仪表等精度传递的实验研究和准确度分析">自动化仪表, 2001, 22(3): 4—6
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修改稿收到日期: 2001-12-19.
作者杨永竹">男, 1944年生, 1967年毕业于北京农业大学, 教授; 多年从事智能仪表开发和设计工作">发表论文10余篇.
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