基于HART协议的多变量涡街流量计
1 引言
目前,涡街流量计在蒸汽及其他气体测量中逐步取代其他类型的流量计,得到广泛的应用。本文所研究的涡街流量计是在现有技术的基础上,加入了温度和压力参数的测量,并且将HART通信协议引入到流量计中,设计出集温度、压力、流量测量于一体的带有HART协议的多变量流量计。经研究表明,这种多变量涡街流量计不仅在测量精度和抗干扰能力上有所提高,而且实现了与上位机的远程操作,具有广阔的发展前景。
2 流量计的结构和测量原理
多变量涡街流量计的结构设计如图1所示。它主要由流量传感器、温度传感器、压力传感器、液晶显示器和测量电路组成。如图可见,铠装铂电阻温度传感器安装在漩涡发生体内,感受被测流体的温度;压力传感器采用压阻式,它的取压孔位于漩涡发生体侧面与其垂直的位置。虹吸管中充有导压液,可以防止腐蚀性、高温气体直接与压力传感器接触;涡街频率信号的检测元件压电晶体也安装在漩涡发生体内部。
2.1 流量测量原理
流量传感器依据卡门涡街原理制成。即在流动的流体中放置一个非流线型的对称形状的物体(涡街流量传感器中称之为漩涡发生体),在流速达到一定值时,就会在其下游二侧产生二列有规律的交替变化的漩涡即卡门涡街,其单列漩涡频率正比于来流速度:
式中:f 为单列漩涡频率,Hz;
d 为漩涡发生体迎流面的最大宽度,m;
v1 为漩涡发生体二测平均流速,m/s ;
Sr 为斯特劳哈尔数,无量纲。
设管道与漩涡发生体之间的流通面积为A1,通过此截面的流量为qv,则
qv=dA1f/Sr (2)
当流量计做好定型后,d和A1都为确定值。当流体雷诺数Re在2X104 ~7x106的范围内时,Sr也为常数,则式(2)可以写成
qv=(dA1f/Sr)f=kf (3)
可知,单列漩涡频率数和流体体积流量成正比,只要用传感器检测出漩涡频率f的数值,就可准确地确定流量的大小。
2.2 温度测量原理
安装在漩涡发生体内的温度传感器是Pt100型铂电阻温度传感器,其工作原理是根据金属的电阻值随着温度变化而有规律地变化。当被测温度≥0℃时,有
Rt=Ro(1+At+Bt2)(4)
式中:Ro为温度0℃时铂电阻的阻值,Ω,Pt100型铂电阻Ro=100Ω;
Rt为被测温度为t℃时铂电阻的阻值,Ω;A,B为常数。
铂电阻的测量范围是-200-+850℃,将铂电阻接到0.5mA的恒流源电路中,当温度每变化100℃时,会在钢电阻的二端产生大约几十mV的信号,经放大传给AD转换器、CPU及显示器即可输出温度的数值。
2.3 压力测量
压力传感器采用瑞士Keller公司生产的S-280型电流供电的薄膜式压力传感器,该传感器具有很高的可靠性和良好的重复性,测压范围为0~4.0MPa(表压),满量程输出电压范围为92.7mV。信号经过放大后可以准确使用。
3 硬件电路的设计
测量电路的基本结构如图2所示。整个系统采用3.3V电压供电,MCU选用了以低功耗为特征的MICROCHIP公司的PIC16F877芯片,具有许多其他单片机所无法比拟的优点,如:运行速度快、可选址范围宽、采用哈佛总线结构及精简指令集等。PIC16F877在1.8432MHz下工作电流小于0.8mA,同时由于采用了宽字节单周期指令和RISC精简指令结构,可以满足系统的实时性要求。
AD7714是适用于环路供电系统和低频测量应用的24位Σ-△型模数转换器,具有数字校准功能,可以消除增益误差和失调误差,用来采样温度和压力。
E2PROM用来保存所有的仪表设定值、特征化数据和数字微调数据,在断电时保证这些数据不会丢失。
AD421将数字信号直接转换为4~20mA电流输出,而且为系统提供3.3V电源,同时也为AD7714提供2.5V的电压基准。
A/D,D/A,E2PROM,液晶显示及信号放大电路这几部分的电流之和不超过2.2mA,压力和温度传感器采用0.5mA的恒流源串联供电,这样整个系统的电流不超过3.5mA。因此完全可以在此基础上叠加HART信号,保证总电流不会超过4mA。
经过放大、滤波、整形后的频率脉冲信号,由MCU进行线形化处理、量程转换、累计流量计算和单位转换等。如果测量介质是气体,还需要通过A/D采样得到温度和压力值,根据密度补偿模型计算出质量流量。
4 基于HART协议的通信接口设计
4.1 HART协议简介
HART(Highway Addressable Remote Transducer)协议是美国Rosemout公司于1986年提出的通信协议,用于现场智能仪表和控制室设备通信的一种协议。其中:
① 物理层规定了HART通信的物理方式和传输介质。HART协议采用了美国电话通信系统Bell 202标准,在4~20mA的模拟信号上叠加幅度为±0.5mA的正弦波,1200Hz代表逻辑“1”,2200Hz代表逻辑“0”。因为所叠加的正弦信号平均值为0,所以数字通信信号不会干扰4-20mA的模拟信号。
② 数据链路层规定了数据格式,其可寻址范围是0-15。当地址为0时智能变送器处于4-20mA与数字通信兼容状态;当地址为1-15时,则处于全数字通信状态,这时可联结成多站模式,并通过全数字通信状况来寻找对话的变送器。
③ 应用层规定了HART通信命令的内容,共分为3类。第1类是通用命令,适用于所有符合HART协议的产品,如读制造厂号、产品型号等;第2类是普通应用命令,适用于大部分符合HART协议的产品,但不同公司的HART产品可能还略有区别,如写主变量单位、微调D/A的零点等。以上二类命令规定了符合HART通信协议的产品具有一定的互换性。第3类是特殊命令,为各公司自己所特有,不互相兼容,如特征化、传感器校正等。
4.2 通信接口设计
通信接口的硬件电路图可参见图3。HART通信接口的硬件部分主要是由符合Bell 202标准的Modem及其附属电路组成。本设计选用的HT2012是符合Bell 202通信标准的半双工调制解调器,一方面与CPU的异步串口进行串行通信,另一方面将输入的不归零制的数字信号调制成1200Hz(逻辑1)和2200Hz(逻辑0)的FSK信号,经过AD421叠加在4-20mA回路上输出,或者将回路信号经放大整形、带通滤波后取出FSK信号,再将其解调为数字信号,从而实现HART通信。通常情况下,HT2012在调制时消耗电流80μA,解调时消耗电流40μA。
HART信号要求在低频的4~20mA电流上叠加幅度为0.5mA的高频正弦调制波,且要使FSK信号的平均值为0。因此在信号线和HT2012之间需要有滤波和整形电路,在不引入干扰信号并满足带通滤波和系统稳定的条件下,将正弦波整形为方波信号。
HART通信程序是HART协议数据链路层和应用层的软件实现,通过MCU的串行口采用主从方式进行通信。流量计在上位机询问时发出应答信号,通过HT2012实现数据的接收和发送。先由上位机发送命令帧格式,涡街流量计由串行口中断接收到命令帧后,由MCU作相应的数据处理,然后将处理过的数据整理后作为应答帧的内容放入发送缓冲区,再由MCU触发发送中断,发出应答帧,从而完成一次命令的交换。接收数据时,若该流量计检测到数据有错,则等到上位机命令帧发送完以后,它发出置有相应错误状态位的应答帧,告知上位机数据接收有误,上位机接收该应答帧后,则重发命令帧从而保证通信准确无误。
5 结束语
基于HART协议的多变量涡街流量计除了具有普通仪表的量程、零点、单位转换等功能外,还可与上位机进行远程操作,由上位机远程读取瞬时流量、累积流量等参数,或对量程、零点、单位等进行设置,便于实时监控。同时,由于引入了温度、压力信号的补偿,涡街流量计的测量精度大为提高,在国内必将取得广阔的发展空间。
参考文献:
[1] 蔡武昌,等.流量测量方法和仪表的选用[5].北京:化学工业出版社,2001
[2] 闫芳,王良.带温压补偿的涡街传感器[J].工业计量,2001(4):41--49.
[3] 莫德举,朱大雷,吴天文.多变量涡街变送器的研究[J].测控技术,2001,20(11):18-26
[4] 蔡立虹,庞彦斌.HT2012 HART MODEM在HART协议中的应用[J].工业仪表与自动化装置,2001(2):P54-65.
[5] HART communication foundation(HCF).HART field communication protocol:An introduction for user and manufactures[Z].1998.
[6] Smar Research Corporation.HT2012 HART Modem Data Sheets and Application Notes[S].1997.