摘要:針對儀表使用現(xiàn)狀,介紹一種具有HART協(xié)議的智能式電磁流量計。設(shè)計了以HART通信模塊HT2012和AD7715、AD421為主要芯片的智能電磁流量計的接口卡。
1電磁流量計
電磁流量計的基本原理是法拉第電磁感應(yīng)定律，即導(dǎo)體在磁場中切割磁力線運動時在其兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。
E=KBDν
式中E:感應(yīng)電動勢,B:磁感應(yīng)強度,D:管道直徑,ν:流體平均速度。流體的體積流量qv為:
電磁流量計分為流量傳感器和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為感應(yīng)電勢,由電極引出;轉(zhuǎn)換器將E轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號輸出，以便進(jìn)行計數(shù)測量。
電磁流量計的測量優(yōu)點很多，(1)它的測量管是光滑直管,不易阻塞,適用于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、泥漿和污水等;(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(dǎo)電率變化的影響,抗干擾能力強;(4)測量范圍大,量程比大,通�？蛇_(dá)20:1~50:1;(5)測量口徑范圍寬,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(dǎo)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,如石油制品,有機溶劑等。
智能化的電磁流量計是數(shù)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(chǔ)上結(jié)合HART通信協(xié)議,可以實現(xiàn)流量儀表智能化,適應(yīng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的要求。
2HART協(xié)議
HART(HighAddressableRenoteTransducer可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道)通信協(xié)議是一種過渡性協(xié)議,它參照“ISO/OSI”的模型標(biāo)準(zhǔn),簡化并引用其中三層,即物理層,數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層制定而成;采用FSK(頻移鍵控)技術(shù),在一條電纜線上同時傳輸4~20mADC的模擬信號和數(shù)字信號,使模擬信號和數(shù)字雙向通訊能同時進(jìn)行,互不干擾。如圖1,在4~20mADC基礎(chǔ)_上疊加幅度為±0.5mA的不同頻率的正弦調(diào)制波作為數(shù)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。
HART通信可以有點對點或多點連接模式。傳輸介質(zhì)一般為雙纜線;當(dāng)傳輸線路較長時,可用屏蔽雙絞線。HT2012是專門為HART產(chǎn)品而設(shè)計生產(chǎn)的，具有價格便宜、功耗低的特點。它包括調(diào)制器、解調(diào)器、載波監(jiān)測電路和時基電路,如圖2。時基電路外接.460.8kH的振蕩頻率信號,調(diào)制器將由IIXD引腳輸入的數(shù)字信號調(diào)制成FSK信號，從OXTA端輸出;解調(diào)器將從RXA引腳輸入的FSK信號解調(diào)成數(shù)字信號，由ORXD端輸出。調(diào)制器和解調(diào)器的工作受NRTS端輸入電平的控制，NRTS端子與CPU的I/O口相連,可以由CPU來控制調(diào)制器和解調(diào)器的工作狀態(tài)，其通信為半雙工方式。當(dāng)NRTS輸入為低電平“0”時,調(diào)制器工作,解調(diào)器輸出不定;當(dāng)NRTS端輸入為高電平“1”時,解調(diào)器工作,調(diào)制器呈高阻狀態(tài)。
HART協(xié)議通信電路由CPU、數(shù)模轉(zhuǎn)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(shù)成比例的數(shù)字信號，經(jīng)AD421轉(zhuǎn)換為4~20mA電流輸出。同時,需進(jìn)行數(shù)字通信的二進(jìn)制數(shù)字信號由串行口發(fā)送端RX輸出至HT2012調(diào)制為FSK信號,再經(jīng)波形整形電路送至AD421,疊加到4~20mA直流信號上。
3AD7715和AD421
AD7715是一種帶有模擬前置放大器的A/D轉(zhuǎn)換芯片，是一種用于低頻測量的芯片,它可直接接受電磁流量計的直流低電平輸入信號并輸出串行數(shù)字信號。該芯片采用2A轉(zhuǎn)換技術(shù),具有16位的精度高模數(shù)轉(zhuǎn)換特性,有良好的抗干擾性，有自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)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,信號范圍可選。前置放大器有1、2、32、128四種增益可選,有4個片內(nèi)寄存器，對它的編程可以實現(xiàn)增益選擇、信號極性、輸出數(shù)據(jù)速率、自動校準(zhǔn)和AD轉(zhuǎn)換等功能。這里用AD7715作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。
AD421是一種16位串行輸入、4~20mADC電流輸出的數(shù)模轉(zhuǎn)換器,非線形誤差小于±0.01%。主要由數(shù)模轉(zhuǎn)換器,電流轉(zhuǎn)換器和電流調(diào)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(yīng)4~20mADC輸出,報警模式輸出電流擴展為3.5~20mADC。電壓調(diào)整器由運放能隙基準(zhǔn)和外接耗盡型場效應(yīng)管構(gòu)成。電壓調(diào)整器從電流回路中獲取電流，,并給AD421及其他器件提供工作電流。在此設(shè)計中,選擇AD421作為數(shù)模轉(zhuǎn)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(shù)字信號轉(zhuǎn)換為4~20mADC電流輸出，并將數(shù)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(shù)的智能式電磁流量計的原理框圖,整個系統(tǒng)由電磁流量計、CPU、AD7715、AD421和HT2012通信部分組成。CPU采用MCS-51微處理器。流量信號g.經(jīng)電磁流量計轉(zhuǎn)換后,輸出的0~5V電壓信號加在AD7715的輸入端上,經(jīng)過AD7715轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號實現(xiàn)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(diào)整電路,將CPU輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為4~20mADC電流信號,作為整機輸出，實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換。另外,由HART通信模塊輸出的經(jīng)過整形后的FSK信號,也經(jīng)AD421-起疊加輸出，實現(xiàn)數(shù)字信號和模擬信號同時輸出。AD421自帶的電壓調(diào)整電路可將變送器的24V供電電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的5V電壓，給CPU、A/D.D/A等芯片供電。系統(tǒng)還配備了WDT監(jiān)控電路，和電磁流量計的勵磁電路。
該系統(tǒng)的軟件有測控程序和通信程序。測控程序包括A/ID采樣程序、量程轉(zhuǎn)換程序、非線性補償程序、D/A轉(zhuǎn)換程序等;通信程序包括實現(xiàn)HART協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的軟件。
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