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蒸汽流量计量中的校正策略与方法

发布时间:2017-10-27
 

摘要:本文介绍一种用单片机技术进行流全校正方法。来统通过采样气休的T、P,用查表及计葬相结合的方法进行校正,即密度补偿,并精出校正后的模拟流量信号。
一、引言
按照流体动力学的基本原理,流量与介质的密度有关,又根据热力学基本定律可知介质密度是介质的温度、压力的函数,即:γ= f(P,T),而采用模拟式流量计在非标准温度、压力下会产生计量误差。这里介绍的流量计校正系统能自动对流量由于温度、压力变化引起的测量误差进行补偿修正。系统原理如图1所示。

流量、温度、压力信号通过A/D通道输入到单片机内,单片机按其特定的算式进行运算,其中密度补偿是补偿运算中最重要的运算.我们采用了查表、插值运算结合的方式。
将密度函数γ= f(P.T)的函数表格存入计算机,由于在函数表中函数是每10℃给一个值,所以还要按温度插值计算出每1℃对应的γ值,然后按公式:

式中γ-测量并计算出的密度
γo-标准温度、压力下气体密度
得到校正后的流量Q流量Q再通过8098HSO高速输出口输出为PWM信号,通过线路转换为标准的0~10mA或4~20mA标准的电流信号。
二、校正系统的基本方案
通常的校正是根据实验提供的气体的密度γ同温度t和压力P之间的关系,建立一个能表达此关系的数学模型γ=f(p.t),再利用微机进行计算。这种方法占内存空间少,但占机时间长。有关蒸汽的密度补偿公式如下:
(1)过热蒸汽

式中γ-蒸汽密度,kg/m3
Pm-压力测量仪表量程范围,Pa
t-蒸汽温度,℃
tm-温度测量仪表量程范围,℃
P-蒸汽压力,kg/m3
由此可知,若完全采用实时测量P,T后进行计算校正,虽然精度得以保证,但其准确度不能达到最佳值,这是由于计算工作量相当大,占用了机器周期,直接影响了CPU的效率,使采样时间受到了限制,所以使得测量结果的误差增大,不能很好地逼近瞬时的γ值。若按上述公式事先将不同温度、压力下的蒸汽密度计算出来,存入系统内存,使用时CPU直接查表,这虽然提高CPU的效率,缩短了CPU数据处理的周期,但离散数据的间隔受到内存的制约,不可能取的很小,这对校正精度仍有一定的影响。若采用查表与计算相结合的方法,既可以克服计算量大的缺点,又解决了校正精度的问题。在测量误差允许的范围内,采用拉格朗日线性播值的方法,将表中10℃的温度之间芳每度再插入一个值,这样精度大大提高。而拉格朗日线性插值方法很简单,计算工作量很小。如在(x,y),(x+1,y+1)两点间找出一线性关系,估算在x和x+1之间等点的函数了f(x),即确定常数AB得直线y=Ax+B通过上述两点。

8098单片机采用定时中断方法进行模拟D/A信号输出。在主程序中单片机仅进行采样查表计算,中断服务程序定时输出PWM信号。中断输出时间的周期根据A/D结果的大小。采样、查表、计算的过程是在中断服务程序执行到最后,启动了HSO-TIME时进行的,当HSO-TIME计数完成时,又开始了下一次执行中断服务程序,用这种方法主要是为了确保模拟信号的连续输出。
三、8098的A/D输入、D/A输出接口
8098单片机内部含有四路10位带采徉保持的A/D转换器,但8098内部没有D/A转换器.必须增加D/A接口才能实现模拟量输出。而8098高速输出(HSO)部件可生成具有任意占空比和周期的连续PWM方波脉冲序列,用此作为D/A信号输出。这样系统使用三路A/D输入和一路HSO输出来完成流量的校正及输出。
流量和压力信号是从各自的变送器送来的0~10mA或4~20mA的电流信号。输入通道将此转换成0~5V电压信号。
温度通过铂热电阻测量。铂热电阻接入电桥,再经两级运算放大器输出。0~5V电压信号。温度测量范围在0~200℃。虽然系统只需130~180℃信号,但考虑到系统的安全运行问题,即保证电桥输出基本在正电压输出范围内(电桥平衡点在0℃)。在测量范围内电阻阻值随温度变化规律可用下式:

铂电阻在130~200℃之间是近似线性的,所以在此温度范围内可按线性处理。流量输出原理见图2。

利用HSO输出构成D/A转换器。利用HSO输出PWM方波,可得到占空比不同的有16位精度的信号。CD4049是用来将HSO输出的信号进行缓冲,再经RC滤波成为较平滑的模拟电压信号.然后经电压跟随器后再进行电压幅度调整,最后输出。0~10mA或4~20mA的电流。
四、误差分析及抗干扰措施
当解决了输入通道零漂问题后,系统误差主要表现在量化误差与计算误差上,由于A/D转换器的字长是10,则量化单位为:q=1/(210-1),当输入电压范围在0~5.12V时,一个量化单位对应的电压值约为:
5.12V/1024=5mV
当温度范围在0~200℃时,一个量化单位对应0.2℃,A/D转换误差在1/2量化单位,则测温误差为0.1℃。当压力为lOkg/cm2时,1个量化单位约为l%kg/cm2,则误差也在0.5%。
为了减小计算误差,微处理器内部尽可能采用浮点运算,并注意避免在数的类型转换时引起的误差。 系统采取了以下几项措施:
(1)系统中使用的RC滤波,仅对高频干扰有抑制作用,而对极低频干扰采用数字滤波。在N个数据中去掉最大值和最小值,然后计算余下的N一2个数据的算术平均值,这样既可滤去脉冲干扰又可滤去小的随机干扰.系统N取5。
(2)使用了8098的监视定时器WDT。系统每16ms左右由WDT复位一次,这样在12MHz晶振下工作能保证软件故障不超过16ms。
(3)系统EPROM存储器除程序外,其它空白存储单元均为FFH,即对应8098复位指令RST。此外在P3.0~P3.7数据线上,各接一10kΩ上拉电阻到SV电源,以保证系统有误时,单片机数据线上保持FFH,即使其复位。
(4)为防止来自接地线的干扰,将数字地与模拟地分开。