基于HART協(xié)議的智能式電磁流量計(jì)
基于HART協(xié)議的智能式電磁流量計(jì)
摘要: 針對(duì)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(jì)。設(shè)計(jì)了以HART 通信模塊HT2012 和AD7715、AD421為主要芯片的智能電磁流量計(jì)的接口卡。
關(guān)鍵詞: 電磁流量計(jì); HART協(xié)議; 智能儀表; FSK 信號(hào)
1.. 電磁流量計(jì)
電磁流量計(jì)的基本原理是法拉第電磁感應(yīng)定律, 即導(dǎo)體在磁場(chǎng)中切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)在其兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。E = kBD v 式中E: 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì), B: 磁感應(yīng)強(qiáng)度, D: 管道直徑, v: 流體平均速度。流體的體積流量qv 為: qv = ..D2 4 v = ..D2 4 .. E kBD = KE 式中, K 為轉(zhuǎn)換系數(shù), K = ..D 4kB。電磁流量計(jì)分為流量傳感器和轉(zhuǎn)換器兩部分。傳感器包括測(cè)量管, 激磁線圈, 電極等, 將流量信號(hào)轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電勢(shì), 由電極引出; 轉(zhuǎn)換器將E 轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出, 以便進(jìn)行計(jì)數(shù)測(cè)量。電磁流量計(jì)的測(cè)量?jī)?yōu)點(diǎn)很多, ( 1) 它的測(cè)量管是光滑直管, 不易阻塞, 適用于測(cè)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, 抗力強(qiáng); ( 4)測(cè)量范圍大, 量程比大, 通常可達(dá)20..1~ 50..1; ( 5)測(cè)量口徑范圍寬, 從幾mm 到3m, 可測(cè)正反雙向流量, 也可測(cè)脈動(dòng)流量。但它不能測(cè)電導(dǎo)率低的液體, 不能測(cè)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(jī)溶劑等。智能化的電磁流量計(jì)是數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)混合的變送器, 在普通電磁流量計(jì)的基礎(chǔ)上結(jié)合HART 通信協(xié)議, 可以實(shí)現(xiàn)流量?jī)x表智能化, 適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的要求。
2.. HART協(xié)議
HART ( H igh Addressab le Remote T ransducer可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道) 通信協(xié)議是一種過(guò)渡性協(xié)議, 它參照.. ISO /OS I..的模型標(biāo)準(zhǔn), 簡(jiǎn)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(shí)傳輸4~ 20mADC 的模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào), 使模擬信號(hào)和數(shù)字雙向通訊能同時(shí)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(hào), 1200H z頻率代表邏輯.. 1.., 2200H z代表邏輯.. 0..。其傳送速率為1200b it / s。圖1.. HART 數(shù)字通信信號(hào)HART 通信可以有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或多點(diǎn)連接模式。傳輸介質(zhì)一般為雙纜線; 當(dāng)傳輸線路較長(zhǎng)時(shí), 可用屏蔽雙絞線。HT2012是專門(mén)為HART產(chǎn)品而設(shè)計(jì)生產(chǎn)的, 具有價(jià)格便宜、功耗低的特點(diǎn)。它包括調(diào)制器、解調(diào)器、載波監(jiān)測(cè)電路和時(shí)基電路, 如圖2。時(shí)基電路外接460. 8kHz的振蕩頻率信號(hào), 調(diào)制器將由ITXD引腳輸入的數(shù)字信號(hào)調(diào)制成FSK信號(hào), 從OXTA 端輸出; 解調(diào)
圖3.. 智能電磁流量計(jì)原理框圖器將從IRXA 引腳輸入的FSK 信號(hào)解調(diào)成數(shù)字信號(hào), 由ORXD端輸出。調(diào)制器和解調(diào)器的工作受INRTS 端輸入電平的控制, INRTS 端子與CPU 的I/O 口相連, 可以由CPU 來(lái)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)INRTS 輸入為低電平.. 0.. 時(shí), 調(diào)制器工作, 解調(diào)器輸出不定; 當(dāng)INRTS 端輸入為高電平.. 1..時(shí), 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(cè)參數(shù)成比例的數(shù)字信號(hào), 經(jīng)AD421轉(zhuǎn)換為4~ 20mA 電流輸出。同時(shí), 需進(jìn)行數(shù)字通信的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)由串行口發(fā)送端RX 輸出至HT2012調(diào)制為FSK 信號(hào), 再經(jīng)波形整形電路送至AD421, 疊加到4~ 20mA 直流信號(hào)上。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(zhuǎn)換芯片, 是一種用于低頻測(cè)量的芯片, 它可直接接受電磁流量計(jì)的直流低電平輸入信號(hào)并輸出串行數(shù)字信號(hào)。該芯片采用..-..轉(zhuǎn)換技術(shù), 具有16位的高精度模數(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(diǎn)誤差, 滿量程誤差和溫度漂移的影響。AD7715的模擬輸入為差動(dòng)方式, 有單極性和雙極性輸入, 信號(hào)范圍可選。前置放大器有1、2、32、128四種增益可選, 有4個(gè)片內(nèi)寄存器, 對(duì)它的編程可以實(shí)現(xiàn)增益選擇、信號(hào)極性、輸出數(shù)據(jù)速率、自動(dòng)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(bào)警兩種模式。正常模式對(duì)應(yīng)4~ 20mADC 輸出, 報(bào)警模式輸出電流擴(kuò)展為3. 5~ 20mADC。電壓調(diào)整器由運(yùn)放能隙基準(zhǔn)和外接耗盡型場(chǎng)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(jì)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(hào)轉(zhuǎn)換為4~ 20mADC 電流輸出, 并將數(shù)字信號(hào)疊加在4~ 20mADC 電流上一起輸出
4.. 智能式電磁流量計(jì)
圖3為采用HART通信技術(shù)的智能式電磁流量計(jì)的原理框圖, 整個(gè)系統(tǒng)由電磁流量計(jì)、CPU、AD7715、AD421和HT2012通信部分組成。CPU 采用MCS-51 微處理器。流量信號(hào)qv 經(jīng)電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換后, 輸出的0~ 5V 電壓信號(hào)加在AD7715 的輸入端上, 經(jīng)過(guò)AD7715轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)實(shí)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(hào)轉(zhuǎn)換為4~ 20mADC 電流信號(hào), 作為整機(jī)輸出, 實(shí)現(xiàn)D /A 轉(zhuǎn)換。另外, 由HART通信模塊輸出的經(jīng)過(guò)整形后的FSK 信號(hào), 也經(jīng)AD421一起疊加輸出, 實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)同時(shí)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(jì)的勵(lì)磁電路。該系統(tǒng)的軟件有測(cè)控程序和通信程序。測(cè)控程序包括A /D 采樣程序、量程轉(zhuǎn)換程序、非線性補(bǔ)償程序、D /A轉(zhuǎn)換程序等; 通信程序包括實(shí)現(xiàn)HART 協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的軟件。
參考文獻(xiàn):
[ 1] *, 周必水. 基于HART協(xié)議的智能流量?jī)x表的研究與實(shí)現(xiàn)[ J] . 計(jì)算機(jī)時(shí)代, 2004( 6): 21- 22.
[ 2] 徐力, 張桂玲. 工業(yè)智能變送器的設(shè)計(jì)[ J]. 電子產(chǎn)品世界, 2002( 12A): 49- 50.--擴(kuò)展閱讀：開(kāi)封中儀流量?jī)x表有限公司專業(yè)生產(chǎn)電磁流量計(jì)、孔板流量計(jì)、渦街流量計(jì)、文丘里流量計(jì)、v錐流量計(jì)、v型錐流量計(jì)、噴嘴流量計(jì)、插入式電磁流量計(jì)、智能電磁流量計(jì)、分體式電磁流量計(jì)、一體式電磁流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)孔板、一體化孔板流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴流量計(jì)、長(zhǎng)徑噴嘴流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴、長(zhǎng)徑噴嘴、插入式渦街流量計(jì)、智能渦街流量計(jì)、錐型流量計(jì)、v錐型流量計(jì)、節(jié)流裝置、節(jié)流孔板、限流孔板等流量產(chǎn)品，更多有關(guān)電磁流量計(jì)、孔板流量計(jì)、渦街流量計(jì)的信息請(qǐng)?jiān)L問(wèn)開(kāi)封中儀網(wǎng)站：
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