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閱讀：156發(fā)布時間：2021-12-29
3 【v錐流量計(jì)相關(guān)變送器】傳統(tǒng)變送器的HART改造
典型HART智能儀表的電路組成一般包括電源模塊、傳感器接口電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、MCU、D/A輸出電路和HART通信電路等，如圖1所示。
圖1 HART智能儀表電路結(jié)構(gòu)示意圖
電源模塊的功能是將環(huán)路24V電壓轉(zhuǎn)換為儀表各部分工作所需要的供電電壓；傳感器接口用于向傳感器提供激勵，并將傳感器的輸出信號引入到A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入接口；A/D轉(zhuǎn)換部分將此模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量供MCU使用；存儲器中可以存放各種組態(tài)信息、特征化數(shù)據(jù)等；D/A輸出部分完成電壓到環(huán)路電流的轉(zhuǎn)換；HART通信模塊用于HART協(xié)議物理層的實(shí)現(xiàn)；單片機(jī)（MCU）則是整個智能儀表的核心，具有協(xié)調(diào)其余部分的運(yùn)行，完成運(yùn)算、HART數(shù)據(jù)鏈路層、HART應(yīng)用層等功能。
一個完整的工作過程通常為：首先將傳感器輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換為微處理器可以處理的數(shù)字信號；根據(jù)此數(shù)字信號和生產(chǎn)過程中獲得的組態(tài)信息、特征化數(shù)據(jù)等，計(jì)算出相應(yīng)的過程變量和以數(shù)字表示的模擬輸出量；再經(jīng)過D/A變換，將此模擬量輸出到4~20mA回路上。從這個工作過程可以看出，影響HART變送器精度的兩個關(guān)鍵部分分別是A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換。
下面以常用的1151壓力變送器舉例說明應(yīng)該如何選擇合適的A/D和D/A轉(zhuǎn)換芯片。假設(shè)要求儀表的數(shù)字精度達(dá)到0.1％、量程壓縮比優(yōu)于6∶1，那么A/D轉(zhuǎn)換芯片的精度至少要達(dá)到0.017%F.S(全量程)。實(shí)際上，考慮到分辨率至少要有所需精度4倍的裕量，所以，A/D的分辨率應(yīng)該達(dá)到0.017％F.S，這就要求15位以上的分辨率。常用于智能變送器的低功耗A/D轉(zhuǎn)換器包括AD7715、MAX1400、LTC2415等，這些A/D轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)是分辨率高、功耗低，內(nèi)部集成了可編程增益放大器。
HART變送器還有一個很重要的部分就是電流輸出。對電流源的要求包括輸出精度和溫度穩(wěn)定性。4~20mA輸出的變送器其報警電流通常設(shè)計(jì)為小于3.9mA（低報警模式）或者大于21mA（高報警模式），以區(qū)別正常工作狀態(tài)和異常工作狀態(tài)（報警狀態(tài)時，電流值取決于選擇的報警設(shè)置而不是當(dāng)前的實(shí)際壓力值）。考慮到裕量，其有效電流輸出范圍至少為20mA。如果我們選擇分辨率為12位的D/A，可以容易地計(jì)算出其分辨率為4.9 
（即D/A輸出位的變化影響量為49 
），這樣的分辨率在某些應(yīng)用上是不允許的。為了保證足夠的分辨率，通常應(yīng)該選擇分辨率不小于14位的D/A轉(zhuǎn)換器。
通常采用以下兩種方式之一實(shí)現(xiàn)可控電流輸出控制：一種是使用D/A轉(zhuǎn)換芯片輸出希望的電壓，然后使用模擬電路以此電壓信號控制回路電流的輸出；另一種是采用集成的電流輸出控制芯片，如AD21等。如果選擇種方式，由于在進(jìn)行電壓/電流轉(zhuǎn)換過程中需要利用一些分立的電阻、電容等器件，所以其可靠性較低。這些分立電阻、電容等器件的溫度漂移也將直接影響回路電流的輸出。采用集成的電流輸出控制芯片則可以達(dá)到非常高的電流精度，溫度漂移也比較小。
現(xiàn)在市場上出現(xiàn)了一些低成本的HART協(xié)議智能板，在使用這些智能板構(gòu)成的變送器測試時發(fā)現(xiàn)存在著許多問題，比較突出的有以下幾個方面：
①【。由于方波在傳輸過程中容易受到干擾，也容易對與其連接的其它設(shè)備造成干擾，因此不能可靠通信。并且板卡的通信阻抗、噪聲靈敏度和通信載波等指標(biāo)一般達(dá)不到HART物理層協(xié)議規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，所以不能通過HART通信物理層的測試。如果將多個儀表接入同一個電流回路中，有可能導(dǎo)致從設(shè)備和主設(shè)備等設(shè)備之間相互干擾而不能正常通信。
②智能板卡只能對第二主設(shè)備響應(yīng)，不支持主設(shè)備。這意味著這些儀表只能對手持器進(jìn)行響應(yīng)，而不能和通常作為主設(shè)備的計(jì)算機(jī)或控制室設(shè)備正常通信，數(shù)據(jù)鏈路層不能通過HART基金會測試。如果采用這些板卡生產(chǎn)的儀表組網(wǎng)，則由于其在數(shù)據(jù)鏈路層和物理層不符合HART協(xié)議的要求，所以存在通信不可靠等危險。
③為了降低智能板卡成本，采用了12位的D/A和模擬電路方式，其電流輸出的精度和溫度穩(wěn)定性往往不能得到很好的保證。
目前每個廠家單獨(dú)開發(fā)智能板卡在經(jīng)濟(jì)上和時間上都不具備優(yōu)勢，所以大都采取合作的方式共同生產(chǎn)。此時HART板卡的質(zhì)量、售后服務(wù)等對變送器的可靠性尤為重要。如果只考慮到眼前的價格因素而忽略板卡質(zhì)量，這對于儀表廠商往往是得不償失的。因此，在對傳統(tǒng)的模擬儀表進(jìn)行HART改造時，一定要根據(jù)自己的需求，綜合考慮性能、成本等因素，選擇合適的智能板卡。
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