1 引言

      目前，渦街流量計在蒸汽及其他氣體測量中逐步取代其他類型的流量計，得到廣泛的應用。本文所研究的渦街流量計是在現(xiàn)有技術的基礎上，加入了溫度和壓力參數(shù)的測量，并且將HART通信協(xié)議引入到流量計中，設計出集溫度、壓力、流量測量于一體的帶有HART協(xié)議的多變量流量計。經(jīng)研究表明，這種多變量渦街流量計不僅在測量精度和抗干擾能力上有所提高，而且實現(xiàn)了與上位機的遠程操作，具有廣闊的發(fā)展前景。

      2 流量計的結構和測量原理

      多變量渦街流量計的結構設計如圖1所示。它主要由流量傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、液晶顯示器和測量電路組成。如圖可見，鎧裝鉑電阻溫度傳感器安裝在漩渦發(fā)生體內(nèi)，感受被測流體的溫度；壓力傳感器采用壓阻式，它的取壓孔位于漩渦發(fā)生體側面與其垂直的位置。虹吸管中充有導壓液，可以防止腐蝕性、高溫氣體直接與壓力傳感器接觸；渦街頻率信號的檢測元件壓電晶體也安裝在漩渦發(fā)生體內(nèi)部。

      2.1 流量測量原理

      流量傳感器依據(jù)卡門渦街原理制成。即在流動的流體中放置一個非流線型的對稱形狀的物體（渦街流量傳感器中稱之為漩渦發(fā)生體），在流速達到一定值時，就會在其下游二側產(chǎn)生二列有規(guī)律的交替變化的漩渦即卡門渦街，其單列漩渦頻率正比于來流速度：

      式中：f  為單列漩渦頻率，Hz；
              d  為漩渦發(fā)生體迎流面的最大寬度，m；
              v₁ 為漩渦發(fā)生體二測平均流速，m/s ；
              Sr 為斯特勞哈爾數(shù)，無量綱。

      設管道與漩渦發(fā)生體之間的流通面積為A₁，通過此截面的流量為qv，則

q_v＝dA₁f/Sr            （2）

      當流量計做好定型后，d和A₁都為確定值。當流體雷諾數(shù)Re在2X10⁴ ~7x10⁶的范圍內(nèi)時，Sr也為常數(shù)，則式（2）可以寫成

q_v＝（dA₁f/Sr）f=kf （3）

      可知，單列漩渦頻率數(shù)和流體體積流量成正比，只要用傳感器檢測出漩渦頻率f的數(shù)值，就可準確地確定流量的大小。

      2.2 溫度測量原理

      安裝在漩渦發(fā)生體內(nèi)的溫度傳感器是Pt₁₀₀型鉑電阻溫度傳感器，其工作原理是根據(jù)金屬的電阻值隨著溫度變化而有規(guī)律地變化。當被測溫度≥0℃時，有

R_t=R_o（1+At+Bt²）（4）

      式中：R_o為溫度0℃時鉑電阻的阻值，Ω，Pt100型鉑電阻R_o＝100Ω；
               R_t為被測溫度為t℃時鉑電阻的阻值，Ω；A,B為常數(shù)。

      鉑電阻的測量范圍是-200-+850℃，將鉑電阻接到0.5mA的恒流源電路中，當溫度每變化100℃時，會在鋼電阻的二端產(chǎn)生大約幾十mV的信號，經(jīng)放大傳給AD轉換器、CPU及顯示器即可輸出溫度的數(shù)值。

      2.3 壓力測量

      壓力傳感器采用瑞士Keller公司生產(chǎn)的S-280型電流供電的薄膜式壓力傳感器，該傳感器具有很高的可靠性和良好的重復性，測壓范圍為0~4.0MPa（表壓），滿量程輸出電壓范圍為92.7mV。信號經(jīng)過放大后可以準確使用。

      3 硬件電路的設計

      測量電路的基本結構如圖2所示。整個系統(tǒng)采用3.3V電壓供電，MCU選用了以低功耗為特征的MICROCHIP公司的PIC16F877芯片，具有許多其他單片機所無法比擬的優(yōu)點，如：運行速度快、可選址范圍寬、采用哈佛總線結構及精簡指令集等。PIC16F877在1.8432MHz下工作電流小于0.8mA，同時由于采用了寬字節(jié)單周期指令和RISC精簡指令結構，可以滿足系統(tǒng)的實時性要求。

      AD7714是適用于環(huán)路供電系統(tǒng)和低頻測量應用的24位Σ-△型模數(shù)轉換器，具有數(shù)字校準功能，可以消除增益誤差和失調(diào)誤差，用來采樣溫度和壓力。

      E²PROM用來保存所有的儀表設定值、特征化數(shù)據(jù)和數(shù)字微調(diào)數(shù)據(jù)，在斷電時保證這些數(shù)據(jù)不會丟失。

      AD421將數(shù)字信號直接轉換為4~20mA電流輸出，而且為系統(tǒng)提供3.3V電源，同時也為AD7714提供2.5V的電壓基準。

      A/D，D/A，E²PROM，液晶顯示及信號放大電路這幾部分的電流之和不超過2.2mA，壓力和溫度傳感器采用0.5mA的恒流源串聯(lián)供電，這樣整個系統(tǒng)的電流不超過3.5mA。因此完全可以在此基礎上疊加HART信號，保證總電流不會超過4mA。

      經(jīng)過放大、濾波、整形后的頻率脈沖信號，由MCU進行線形化處理、量程轉換、累計流量計算和單位轉換等。如果測量介質(zhì)是氣體，還需要通過A/D采樣得到溫度和壓力值，根據(jù)密度補償模型計算出質(zhì)量流量。

      4 基于HART協(xié)議的通信接口設計

      4.1 HART協(xié)議簡介

      HART（Highway Addressable Remote Transducer）協(xié)議是美國Rosemout公司于1986年提出的通信協(xié)議，用于現(xiàn)場智能儀表和控制室設備通信的一種協(xié)議。其中：

      ① 物理層規(guī)定了HART通信的物理方式和傳輸介質(zhì)。HART協(xié)議采用了美國電話通信系統(tǒng)Bell 202標準，在4~20mA的模擬信號上疊加幅度為±0.5mA的正弦波，1200Hz代表邏輯“1”，2200Hz代表邏輯“0”。因為所疊加的正弦信號平均值為0，所以數(shù)字通信信號不會干擾4-20mA的模擬信號。
      ② 數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了數(shù)據(jù)格式，其可尋址范圍是0-15。當?shù)刂窞?時智能變送器處于4-20mA與數(shù)字通信兼容狀態(tài)；當?shù)刂窞?-15時，則處于全數(shù)字通信狀態(tài)，這時可聯(lián)結成多站模式，并通過全數(shù)字通信狀況來尋找對話的變送器。
      ③ 應用層規(guī)定了HART通信命令的內(nèi)容，共分為3類。第1類是通用命令，適用于所有符合HART協(xié)議的產(chǎn)品，如讀制造廠號、產(chǎn)品型號等；第2類是普通應用命令，適用于大部分符合HART協(xié)議的產(chǎn)品，但不同公司的HART產(chǎn)品可能還略有區(qū)別，如寫主變量單位、微調(diào)D/A的零點等。以上二類命令規(guī)定了符合HART通信協(xié)議的產(chǎn)品具有一定的互換性。第3類是特殊命令，為各公司自己所特有，不互相兼容，如特征化、傳感器校正等。

      4.2 通信接口設計

      通信接口的硬件電路圖可參見圖3。HART通信接口的硬件部分主要是由符合Bell 202標準的Modem及其附屬電路組成。本設計選用的HT2012是符合Bell 202通信標準的半雙工調(diào)制解調(diào)器，一方面與CPU的異步串口進行串行通信，另一方面將輸入的不歸零制的數(shù)字信號調(diào)制成1200Hz（邏輯1）和2200Hz（邏輯0）的FSK信號，經(jīng)過AD421疊加在4-20mA回路上輸出，或者將回路信號經(jīng)放大整形、帶通濾波后取出FSK信號，再將其解調(diào)為數(shù)字信號，從而實現(xiàn)HART通信。通常情況下，HT2012在調(diào)制時消耗電流80μA，解調(diào)時消耗電流40μA。

      HART信號要求在低頻的4~20mA電流上疊加幅度為0.5mA的高頻正弦調(diào)制波，且要使FSK信號的平均值為0。因此在信號線和HT2012之間需要有濾波和整形電路，在不引入干擾信號并滿足帶通濾波和系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下，將正弦波整形為方波信號。

      HART通信程序是HART協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層和應用層的軟件實現(xiàn)，通過MCU的串行口采用主從方式進行通信。流量計在上位機詢問時發(fā)出應答信號，通過HT2012實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。先由上位機發(fā)送命令幀格式，渦街流量計由串行口中斷接收到命令幀后，由MCU作相應的數(shù)據(jù)處理，然后將處理過的數(shù)據(jù)整理后作為應答幀的內(nèi)容放入發(fā)送緩沖區(qū)，再由MCU觸發(fā)發(fā)送中斷，發(fā)出應答幀，從而完成一次命令的交換。接收數(shù)據(jù)時，若該流量計檢測到數(shù)據(jù)有錯，則等到上位機命令幀發(fā)送完以后，它發(fā)出置有相應錯誤狀態(tài)位的應答幀，告知上位機數(shù)據(jù)接收有誤，上位機接收該應答幀后，則重發(fā)命令幀從而保證通信準確無誤。

      5 結束語

      基于HART協(xié)議的多變量渦街流量計除了具有普通儀表的量程、零點、單位轉換等功能外，還可與上位機進行遠程操作，由上位機遠程讀取瞬時流量、累積流量等參數(shù)，或?qū)α砍獭⒘泓c、單位等進行設置，便于實時監(jiān)控。同時，由于引入了溫度、壓力信號的補償，渦街流量計的測量精度大為提高，在國內(nèi)必將取得廣闊的發(fā)展空間。

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