基于CPLD的涡街流量计仪表系数非线性修正

　　1　引　言

　　涡街、涡轮等频率信号输出的流量传感器在较宽流量范围内都能获得具有良好重复性的输出信号。理想情况下其输出信号与瞬时流量成正比,而实际上其仪表系数只在相对较小的范围内能够基本保持恒定[1]。传统的方法是将平均仪表系数作为传感器仪表系数的唯一值来使用,这样导致流量计在保证测量精度前提下的测量范围较窄。基于此,文章针对存在这一问题的涡街流量计进行研究,以实现保证精度扩展测量范围的目的。

　　涡街流量计在正常流量范围内,其仪表系数基本为一常数,但在测量小流量时却表现出明显的非线性,制约了涡街流量计测量范围和测量精度。普通模拟涡街流量计确保仪表系数线性度在1%以内时的量程比只能达到10∶1,远低于理论量程100∶1[2]。随着工业技术的发展和进步,对于宽量程高精度涡街流量计的需求日渐迫切,各种仪表系数非线性修正方法和应用相继出现。

　　最早出现的是采用硬件电路进行修正[3]。在传感器前置放大电路中增加一些硬件电路,人为掺加(或减少)一个固定频率信号,从而使传感器实际输出信号频率得到修正,改善其仪表系数的非线性程度。此方法的缺点是只适用于单调上升(或下降)的曲线形状,而且硬件补偿灵活性差、补偿精度不高。但由于是硬件电路设计,保证了良好的稳定性和可靠性。随着电子技术特别是单片机技术的迅猛发展,这一问题得到了更好的解决。根据实际标定的结果可以回归出仪表系数与频率的函数表达式,将表达式存入单片机系统的程序存储器中。测量时测出传感器信号频率,根据函数表达式计算出此时的仪表系数来进行计算,从而达到对仪表系数非线性的修正[4]。这种方法操作简单,而且通用性好,补偿精度更高、更灵活。但由于该方法是靠软件补偿来实现,编程时出现的微小纰漏与应用现场复杂情况造成的不确定性,都易造成程序“跑飞”或者死机的现象,造成使用上的不稳定。近年来,随着FPGA(Field Programmable Gate Array)与CPLD(ComplexProgrammable Logic Device)技术的飞速发展及其广泛应用,因其具有高度的稳定性和可靠性,设计简单灵活等优点[5],本文提出了基于CPLD硬件结构实现涡街流量计仪表系数非线性修正的方法,该方法综合了上述两种方法的优点,具有良好的实用价值。①

　　2　修正算法比较

　　实现非线性修正的前提是需要得到涡街流量计流量Q与仪表系数K的关系曲线,再将超出线性度范围的仪表系数修正到合理的范围内。文章对三种常用的曲线逼近方法:线性插值法、三次样条插值法和最小二乘法进行了比较,具体方法介绍见文献[6]。