纸浆智能涡街流量变送器对仪表系数校正的方法（1）
日期：2007-10-29 20:32:42 来源：本站整理
点击： 作者：未知
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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。
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
流量/Nm3·h－1
基本误差d I(%)
检定点重复性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。
智能二线制4－20mA涡街流量变送器
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%。
校正运算
变送器的第i点瞬时流量由下式给出：
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：
式中：N是对应输出电流Ii时输入到D/A中的数值。
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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。
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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。
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校正的机理及效果
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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。
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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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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。
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智能二线制4－20mA涡街流量变送器
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结构框图
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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。
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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%。
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式中：Ki仪表系数，理想的情况下为一常量。
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