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基於HART協議的智能式電磁流量計

文章出處:AG贵宾厅實業 人氣:發表時間:2018-01-23 11:27

1 電磁流量計
    電磁流量計的基本原理是法拉第電磁感應定律,即導體在磁場中切割磁力線運動時在其兩端產生感應電動勢。
    E = kBD v
    式中E:感應電動勢, B :磁感應強度, D:管道直徑, v:流體平均速度。流體的體積流量qv 為:
公式1
    式中, K為轉換係數,公式2

    電磁流量計分為流量傳感器和轉換器兩部分。傳感器包括測量管,激磁線圈,電極等,將流量信號轉換為感應電勢,由電極引出;轉換器將E轉換為標準信號輸出,以便進行計數測量。
    電磁流量計的測量優點很多, ( 1)它的測量管是光滑直管,不易阻塞,適用於測量含有固體顆粒或纖維的液固兩相流體,如紙漿、煤水漿、礦漿、泥漿和汙水等; (2)它的壓力損失小,且前置直管段要求較低; (3)輸出線性,且其體積流量不受流體密度、粘度、溫度、壓力和導電率變化的影響,抗幹擾能力強; (4)測量範圍大,量程比大,通常可達20∶1~50∶1; ( 5)測量口徑範圍寬,從幾mm到3m,可測正反雙向流量,也可測脈動流量。但它不能測電導率低的液體,不能測氣體、蒸汽和含有較多較大氣泡的液體的流量,如石油製品,有機溶劑等。
    智能化的電磁流量計是數字信號和模擬信號混合的變送器,在普通電磁流量計的基礎上結合HART通信協議,可以實現流量儀表智能化,適應現場總線控製係統的要求。
2 HART協議
    HART(High Addressable Remote Transducer可尋址遠程傳感器高速通道)通信協議是一種過渡性協議,它參照“ISO /OSI”的模型標準,簡化並引用其中三層,即物理層,數據鏈路層和應用層製定而成; 采用FSK(頻移鍵控)技術,在一條電纜線上同時傳輸4~20mADC的模擬信號和數字信號,使模擬信號和數字雙向通訊能同時進行, 互不幹擾。如圖1, 在4 ~20mADC基礎上疊加幅度為±0. 5mA的不同頻率的正弦調製波作為數字信號, 1200Hz頻率代表邏輯“1”,2200Hz代表邏輯“0”。其傳送速率為1200bit/ s。
圖1 HART數字通信信號
    圖1 HART數字通信信號
    HART通信可以有點對點或多點連接模式。傳輸介質一般為雙纜線;當傳輸線路較長時,可用屏蔽雙絞線。HT2012是專門為HART產品而設計生產的,具有價格便宜、功耗低的特點。它包括調製器、解調器、載波監測電路和時基電路, 如圖2。時基電路外接460. 8kHz的振蕩頻率信號,調製器將由ITXD引腳輸入的數字信號調製成FSK信號, 從OXTA端輸出; 解調器將從IRXA引腳輸入的FSK信號解調成數字信號,由ORXD端輸出。調製器和解調器的工作受INRTS端輸入電平的控製, INRTS端子與CPU 的I/O 口相連,可以由CPU來控製調製器和解調器的工作狀態,其通信為半雙工方式。當INRTS輸入為低電平“0”時,調製器工作,解調器輸出不定;當INRTS端輸入為高電平“1”時,解調器工作,調製器呈高阻狀態。
    HART協議通信電路由CPU、數模轉換器AD421、HART通信模塊HT2012、波形整形電路和帶通濾波器組成。CPU輸出的與被測參數成比例的數字信號,經AD421轉換為4~20mA電流輸出。同時,需進行數字通信的二進製數字信號由串行口發送端RX輸出至HT2012調製為FSK信號, 再經波形整形電路送至AD421,疊加到4~20mA直流信號上。
圖2 HT2012芯片特性原理圖
    圖2 HT2012芯片特性原理圖
3 AD7715和AD421
    AD7715是一種帶有模擬前置放大器的A /D轉換芯片,是一種用於低頻測量的芯片,它可直接接受電磁流量計的直流低電平輸入信號並輸出串行數字信號。該芯片采用Σ2Δ轉換技術,具有16位的高精度模數轉換特性,有良好的抗幹擾性,有自校準和係統校準的功能,可以消除零點誤差,滿量程誤差和溫度漂移的影響。AD7715 的模擬輸入為差動方式,有單極性和雙極性輸入,信號範圍可選。前置放大器有1、2、32、128四種增益可選,有4個片內寄存器,對它的編程可以實現增益選擇、信號極性、輸出數據速率、自動校準和AD轉換等功能。這裏用AD7715作為模數轉換芯片。
    AD421是一種16位串行輸入、4~20mADC電流輸出的數模轉換器,非線形誤差小於±0. 01%。主要由數模轉換器, 電流轉換器和電流調整器組成。AD421的電流輸出有正常和報警兩種模式。正常模式對應4~20mADC輸出,報警模式輸出電流擴展為3. 5~20mADC。電壓調整器由運放能隙基準和外接耗盡型場效應管構成。電壓調整器從電流回路中獲取電流,並給AD421及其他器件提供工作電流。在此設計中,選擇AD421作為數模轉換芯片,它可以為其他芯片提供工作電壓,還可以將CPU輸入的數字信號轉換為4~20mADC電流輸出,並將數字信號疊加在4 ~20mADC電流上一起輸出。
4 智能式電磁流量計
    圖3為采用HART通信技術的智能式電磁流量計的原理框圖,整個係統由電磁流量計、CPU、AD7715、AD421和HT2012 通信部分組成。CPU 采用MCS251微處理器。流量信號qv 經電磁流量計轉換後,輸出的0~5V 電壓信號加在AD7715 的輸入端上, 經過AD7715轉換為數字信號實現A /D采樣; AD7715采用三線串行口與CPU相連。HART通信部分由HT2012、帶通濾波器和輸出波形整形電路等組成。AD421 及電壓調整電路,將CPU 輸出的數字信號轉換為4 ~20mADC電流信號,作為整機輸出,實現D /A 轉換。另外,由HART通信模塊輸出的經過整形後的FSK信號,也經AD421一起疊加輸出,實現數字信號和模擬信號同時輸出。AD421 自帶的電壓調整電路可將變送器的24V供電電壓轉換成穩定的5V電壓,給CPU、A /D、D /A等芯片供電。係統還配備了WDT監控電路,和電磁流量計的勵磁電路。
圖3 智能電磁流量計原理框圖
    圖3 智能電磁流量計原理框圖

    該係統的軟件有測控程序和通信程序。測控程序包括A /D采樣程序、量程轉換程序、非線性補償程序、D /A轉換程序等;通信程序包括實現HART協議數據鏈路層和應用層的軟件。

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