压差流量计的平方根缩放

基于压差(DP-)的流量的平方根可以在变送器或控制器中取，并且更容易配置变送器取平方根，因为在低端，DP的非常小的变化会导致流量的大变化。

通过克里斯·哈迪，克罗斯公司 2017年9月18日

仪器不仅要测量期望值，还要测量系统能产生的所有值。在扰动过程中，仪器的实际值通常超过20mA，在正常工艺条件下保持在严格范围内。对于具有线性刻度和额外容量的仪器，解决方法很简单:在控制器中的仪器和模拟输入(AI)上增加20 mA刻度。但非线性关系使比例调整复杂化。

非线性流量测量

大多数流量测量方法都是非线性的。一些计算总是在发射器内部处理(磁力计，科里奥利，涡流等)，以便mA信号对这些类型的仪表是线性的。但最常用的流量测量方法是通过障碍物的压差(DP)。不管阻塞的类型(孔板、文丘里管或皮托管等)，DP与流量的平方成正比。因此，系统必须从DP的平方根开始缩放流量。

基于dp的流量的平方根可以在变送器或控制器中取(但不能同时取)。将发射机配置为取平方根更容易，因为在低端，DP的一个非常小的变化会导致流量的大变化。这使得低流量对mA信号上的电噪声格外敏感，如果在控制器中取平方根。

在控制器中取平方根的逻辑

如果在发送器中取平方根是不可行的，并且您正在控制器中编写自己的平方根缩放逻辑，而不是在标准功能块中检查平方根选项，那么请遵循以下步骤。

首先，将信号归一到0-1，其中0是4 mA, 1是20 mA, 0.5是12 mA。那么平方根是有意义的，因为一个数>1的根小于这个数。但是从0到1的数的根更大:√0.5 = 0.707。所以如果DP单元有12 mA的信号，那就是50%的DP，但71%的流速。将得到的平方根信号(仍然是0-1)乘以流量尺度跨度，得到工程单元的流量。

负数的平方根是虚数，会导致大多数处理器抛出一个小错误，并将结果声明为“Not a number”。为了避免这些问题，要么将负规范化输入箝位为零，要么将绝对值平方根，如果原始值为负(低于4mA)，则使其再次为负。

从流数据表将流缩放为DP

通常，一个流动元件，如孔板或文丘里管，将附带一个流动数据表，其中包括预期的工艺条件和各种dp的流速表。对于缩放来说，唯一重要的数字是纸张上的最高流量/DP对。对于基本的缩放，设置DP发射机的范围从零在4mA到最高DP在20mA。然后在控制器中，将4mA的输入从零缩放到20mA的最大流量。如果在变送器或控制器中取一个平方根(但不是两个)，系统将正确地计算出仪表范围内的流量。

检查缩放和平方根配置

检查零位和全量程DP，校准4mA和20mA，并验证控制器在4mA和20mA时显示正确的流量是必要的，但不足以验证平方根配置。您还必须将流量数据表中的一个或多个中程DPs应用到仪表上，并验证控制器显示正确的流量。

一般来说，如果任何中间值是正确的(以及0和最大值)，它们都将是正确的，遵循绿色曲线。如果一个中档流显示的值明显低于它应有的值(见图中的洋红色线)，那么平方根可能在任何地方都不能实现。如果它明显更高(见红色曲线)，你可能在两端取平方根。

修正影响密度的工艺条件

DP流量计测量流体速度，当乘以风管或管道的横截面积时，产生体积流量(GPM, CFM等)。流体密度与测量和计算无关。质量流量(#/H, SCFM等)通过体积流量乘以密度来计算。对于最准确的质量流量，如果流量数据表上的任何名义工艺条件与实际情况存在显著影响密度的差异，则应补偿流量。

理想气体(如空气、天然气等)的密度随压力上升和温度下降而线性增加。
非理想气体(蒸汽)的密度也随着压力的升高和温度的下降而增加，但不是线性的，因此密度值必须从近似于表的表格或曲线中确定。
液体密度不受压力变化的显著影响，但通常随温度升高而下降。也有例外(32°F到39°F的水)。39华氏度的水和150华氏度的水的密度只有2%的差异，所以在这个范围内的差异可能不值得补偿。然而，212°F的水密度比室温低4%，400°F的水密度低14%。因此，在较高的温度下，标称温度与实际温度之间的偏差可能足以进行补偿。液体密度与温度的关系几乎总是非线性的——从表格或近似表格的曲线中查找。

为了补偿质量流量的密度，使用以下逻辑:

使用密度函数块，输入所有重要参数(气体的压力和温度，或液体的温度)。块的内部取决于流体的类型。
将流数据表中的标称条件作为常数附加到密度块的实例。结果将是“名义密度”。
将实际条件附加到密度块的另一个实例。结果将是“实际密度”。理想的情况是用压力和温度仪器来测量，但如果控制器无法获得这些信息，则可以将其中任何一个或两个都输入为常数。
补偿质量流量=[未经校正的原始质量流量]x[实际密度]÷[名义密度]。

扩大规模

如果实际流量超过了最大刻度——即使是在井喷期间——你也应该增大刻度，这样这些值也能被测量出来。对于一个平方根流，一些数学涉及到，因为DP随着流的平方而增加。

这种重新缩放将导致测量精度的一些损失，但通常情况下，这种损失仍然远低于测量噪声，因此是不相关的。增加规模的硬极限是发射机的极限。许多用于流量测量的DP单元名义上是按比例0-100“WC(英寸水柱)，变送器可能能够测量到200“或300”，但不能更高。

重新缩放最简单的方法是确定需要多少流量，将其表示为乘数，然后将其平方为DP的变化。

例子:

如果100”WC是1000 GPM，而您需要测量1190 GPM，则需要增加20%的刻度，因此乘数为1.2。
1.2 x 1000 GPM等于1200 GPM。
1.2²= 1.44,x 100“WC是144”WC。
您可以将发射机范围从100“WC增加到144”WC，控制器AI规模从1000 GPM增加到1200 GPM，系统仍然可以正确读取流量。

你也可以将DP增加一个倍数，然后将流量规模增加这个倍数的平方根。这是如何计算一个给定的变送器限制最高可能的流量测量。

例子:

如果发射机可以测量到225“WC，而标称最大DP是100“WC, DP倍增器是2.25。
√2.25 = 1.5,x 1000 GPM = 1500 GPM。
这是DP电池可以测量的最高流量。

脉冲计缩放

一些流量计(特别是涡轮流量计和任何流量计)输出流量作为一个离散脉冲为每个给定的体积或质量单位。这种仪表的流量数据表通常会列出每脉冲的体积，或者可以反向给出每单位体积的脉冲。

例子:

流量数据表列出了每加仑228个脉冲。
这相当于每脉冲0.004386 (1 ÷ 228)加仑。

如果您正在配置标准功能块或脉冲到4到20mA的变送器，则需要确定您的最大缩放流量。请注意，这不是预期的流量——它必须远远高于预期，以适当地处理扰动条件。在本例中，最大标称流量为20 GPM，因此我们希望将变送器缩放到30 GPM。228脉冲/加仑× 30 GPM = 6840脉冲/分钟÷ 60秒/分钟= 114脉冲/秒或Hz。所以114赫兹相当于30 GPM。

如果您将脉冲信号直接输入到控制器上的离散输入(DI)，则计算总数是微不足道的——只需在每次看到新脉冲时将每个脉冲的体积添加到累加器中(使用一次性/上升边检测)。计算流量比较复杂，一般有两种方法:

对于持续多次(至少10次)处理器扫描的较慢脉冲，测量脉冲之间的时间。连续运行计时器。在一个新的脉冲(上升边)上，将时间基数除以累计时间，然后重置计时器。
- 在本例中，如果计时器以毫秒为单位运行，而您想要加仑/分钟，则时间基数为60,000(毫秒/分钟)。
- 除以60000 ÷从最后一个脉冲到现在的时间。
- 乘以每个脉冲的体积。因此，如果脉冲持续2秒，即2000毫秒，那么它将是0.004386 x 60,000 ÷ 2000，或0.13 GPM。
- 用户还必须设置最大时间限制(这是计时器的标准功能)，即“预设”。如果计时器达到预设并“完成”，将产生的流量设置为零。如果没有这一步，流将无限期地继续报告为在它停止流动和脉动之前的最后一个正流。
对于更快的脉冲，在固定的时间周期内计数脉冲，并乘以时间乘数和每个脉冲乘数的体积。如果脉冲超过每两次扫描一次，这将需要一个高速计数器DI(计数脉冲并将每次扫描的计数报告给处理器)，因为处理器只查看原始DI就会错过脉冲。在本例中，用户可以对处理器进行编程，使其每秒计算脉冲数，然后乘以60以将秒转换为分钟，再乘以0.004386以得到GPM。

整体化

对于大多数流量计来说，总流量是一个重要的值。如果流量计通过通信协议连接，则可以从流量计读取总流量。否则，用户将需要在控制器中使用累加器计算它。如果您计算一个小时、一个工作班或一天的总数，然后将其转到先前的寄存器中，则标准累加器将工作。

然而，由于舍入错误，将累加器存储在32位浮点数(“浮点数”)中的总计将在一段时间后停止工作。浮点数的精度约为16,000,000分之一。如果在浮点数中添加1到16,000,000，结果将如预期的那样是16,000,001。但是如果你把1加到17,000,000，它就会四舍五入到17,000,000。因此，在16,000,000次扫描后，累加器将完全停止累积，并且在此之前的一段时间内将是不准确的。16,000,000秒大约是6个月，但许多控制器每秒扫描多次，大大缩短了累加器退出的时间。

要解决这个问题，可以使用三个寄存器进行大累加:累积“当前小时总数”。在一个小时结束时，将该结果添加到“所有以前的小时”寄存器，然后重置当前小时总数寄存器。总总数总是这两个寄存器的总和。

如果控制器有一个64位浮点寄存器，请使用它，因为它们的精度约为9,000,000,000,000,000,000的1分之一，所以它们不会遇到相同的问题。

总结