摘要:針(zhēn)對儀表(biao)使用現(xian)狀,介紹(shao)一種具(jù)有HART協議(yì)的智能(néng)式電磁(ci)流量計(ji)
。設計了(le)以HART通信(xìn)模塊HT2012和(hé)AD7715、AD421爲主要(yào)芯片的(de)智能電(diàn)磁流量(liàng)計的接(jiē)🆚口卡。
1電(dian)磁流量(liàng)計
電磁(cí)流量計(jì)
的基本(ben)原理是(shi)法拉第(dì)電磁感(gan)應定律(lü)，即導體(tǐ)在磁場(chang)中切割(ge)磁力線(xian)運動時(shí)在其兩(liǎng)端産生(shēng)感應電(diàn)動勢。
E=KBDν
式(shì)中E:感應(yīng)電動勢(shì),B:磁感應(yīng)強度,D:管(guǎn)道直徑(jìng),ν:流體平(ping)均速度(dù)。流體的(de)體積流(liu)量qv爲:
電(dian)磁流量(liàng)計分爲(wèi)流量傳(chuan)感器和(hé)轉換器(qi)兩部分(fèn)。傳感器(qi)包🚩括🐅測(cè)量管,激(jī)磁線圈(quan),電極等(deng),将流量(liang)信号轉(zhuǎn)換爲感(gan)應電勢(shi)💜,由電極(jí)引出;轉(zhuan)換器将(jiāng)E轉換爲(wei)标準信(xìn)号輸出(chū)，以便⭐進(jìn)行計🧑🏾🤝🧑🏼數(shù)測量🧑🏾🤝🧑🏼。
電(diàn)磁流量(liang)計的測(ce)量優點(diǎn)很多，(1)它(tā)的測量(liang)管是光(guang)滑直管(guǎn)☀️,不易阻(zu)🐅塞,适用(yòng)于測量(liang)含有固(gu)體顆粒(lì)或纖維(wéi)的液固(gù)兩相流(liu)體,如紙(zhi)漿🈲、煤水(shuǐ)漿、礦漿(jiang)、泥漿和(he)污水等(deng);(2)它的壓(ya)力損⭕失(shī)小,且前(qian)置直管(guǎn)段要求(qiu)較低;(3)輸(shu)出線性(xìng)，且其體(tǐ)積流量(liang)不受流(liú)體密度(du)、粘度、溫(wēn)度、壓.力(li)🏃🏻♂️和導電(dian)率變化(hua)的影響(xiǎng),抗幹擾(rǎo)能力強(qiáng);(4)測量範(fàn)圍大,量(liàng)程比大(da),通常可(ke)達20:1~50:1;(5)測量(liàng)口徑範(fàn)圍寬,從(cong)幾mm到3m,可(ke)測正反(fan)雙向流(liú)量,也可(kě)測脈動(dòng)流量。但(dan)它不能(neng)測電導(dao)👈率低的(de)液體,不(bú)能測氣(qì)體、蒸汽(qì)和含有(you)較多較(jiao)大氣泡(pao)的液體(ti)的流量(liàng),如石油(yóu)制品,有(you)機溶劑(jì)等。
智能(néng)化的電(diàn)磁流量(liang)計是數(shù)字信号(hao)和模拟(nǐ)信号混(hùn)合的變(biàn)送🏃🏻器🏃🏻,在(zài)普通電(dian)磁流量(liang)計的基(jī)礎上結(jie)合HART通信(xin)協議,可(ke)以實現(xian)流量儀(yí)表智能(neng)化,适應(yīng)現場總(zǒng)線控制(zhi)系🌈統的(de)要求。
2HART協(xié)議
HART(HighAddressableRenoteTransducer可尋(xún)址遠程(cheng)傳感器(qì)高速通(tōng)道)通信(xìn)協議是(shi)一種過(guo)渡性協(xie)議,它參(can)照“ISO/OSI”的模(mó)型标準(zhun),簡化并(bìng)引用其(qí)中三層(céng),即🏃♂️物理(lǐ)層,數據(jù)鏈路層(céng)和應用(yong)層制定(dìng)而成;采(cǎi)用FSK(頻移(yi)鍵💞控)技(jì)術,在一(yi)條電纜(lǎn)線🚶♀️上同(tóng)時傳輸(shu)4~20mADC的模拟(ni)⭕信号和(hé)數字信(xìn)号,使🔞模(mo)拟信号(hao)和數字(zi)雙向通(tōng)訊能同(tong)時進行(hang),互不幹(gan)擾。如圖(tú)1,在4~20mADC基礎(chǔ)_上疊加(jiā)幅度爲(wei)±0.5mA的不同(tóng)頻率的(de)📐正弦調(diào)制波作(zuo)爲數字(zì)信号,1200Hz頻(pín)率代表(biǎo)邏輯“1”，2200Hz代(dai)表🔴邏輯(jí)“0”。其傳送(sòng)速率爲(wèi)1200bit/S。
HART通信可(kě)以有點(dian)對點或(huò)多點連(lian)接模式(shi)。傳輸介(jiè)質一般(bān)爲雙纜(lan)❗線♉;當傳(chuan)輸線路(lu)較長時(shí),可用屏(píng)蔽雙絞(jiǎo)線。HT2012是專(zhuan)門爲HART産(chan)品而設(she)計生産(chan)的，具有(yǒu)價格便(biàn)宜、功耗(hao)低的特(te)🏃♂️點。它包(bāo)括調制(zhi)器、解調(diao)器、載波(bō)監測電(dian)路和時(shí)基電路(lù),如圖2。時(shi)基電路(lù)外接.460.8kH的(de)振蕩頻(pin)率信号(hào),調制器(qi)将由IIXD引(yǐn)腳輸入(rù)的數字(zì)信号調(diao)制成FSK信(xìn)号，從OXTA端(duān)輸出;解(jie)調器将(jiang)從RXA引腳(jiao)輸入的(de)👣FSK信号解(jiě)調成數(shù)字信🌍号(hao)，由ORXD端輸(shu)✏️出。調制(zhì)器和解(jiě)調器的(de)工作受(shòu)NRTS端輸入(rù)電平的(de)控制，NRTS端(duan)子與CPU的(de)⭐I/O口相連(lián),可以由(yóu)CPU來控制(zhì)調制器(qi)和解調(diào)器㊙️的工(gōng)作狀态(tài)，其通信(xin)爲半雙(shuāng)工方式(shi)。當NRTS輸入(rù)爲低電(dian)平“0”時,調(diào)制器工(gōng)作,解調(diào)器輸出(chū)不定;當(dang)NRTS端⁉️輸入(rù)爲高電(diàn)平“1”時,解(jiě)調器工(gōng)💁作,調制(zhi)器呈高(gao)阻狀态(tai)。
HART協議通(tong)信電路(lu)由CPU、數模(mo)轉換器(qì)AD421、HART通信模(mo)塊HT2012、波形(xíng)整形電(dian)路和帶(dai)通濾波(bō)器組成(chéng)。CPU輸出的(de)與被測(cè)參數成(cheng)比例的(de)❄️數字信(xin)号☂️，經AD421轉(zhuǎn)♋換爲4~20mA電(dian)流輸出(chū)。同時,需(xu)進行數(shu)字通信(xìn)♉的二進(jin)制數字(zì)信号由(you)串行口(kǒu)🈲發送端(duan)RX輸出至(zhì)HT2012調制爲(wei)FSK信号,再(zài)經波形(xing)整形電(diàn)路送至(zhi)AD421,疊加到(dao)4~20mA直流信(xìn)号上。
3AD7715和(hé)AD421
AD7715是一種(zhong)帶有模(mo)拟前置(zhi)放大器(qi)的A/D轉換(huan)芯片，是(shi)一種用(yong)✨于低✂️頻(pín)測量的(de)芯片,它(tā)可直接(jiē)接受電(dian)磁流量(liàng)計✂️的直(zhi)流低電(diàn)平輸入(ru)信号并(bing)輸出串(chuàn)行數字(zì)信号。該(gāi)芯片采(cai)🙇🏻用2A轉換(huan)技術,具(ju)有16位的(de)精度高(gao)模數轉(zhuǎn)換特性(xing),有良好(hǎo)的抗幹(gan)擾性，有(you)自校準(zhun)和系統(tong)校準的(de)功能,可(kě)以消除(chu)零點誤(wù)差,滿量(liàng)程誤差(chà)和☀️溫度(dù)漂移的(de)影響。AD7715的(de)模拟輸(shū)🔴入爲差(chà)動方式(shi)㊙️,有單極(jí)性和雙(shuāng)極性輸(shū)入,信号(hao)範圍可(kě)選。前置(zhì)放大器(qi)有1、2、32、128四種(zhong)增益可(kě)選,有☔4個(gè)片内寄(jì)存器，對(duì)它的編(bian)程可以(yi)實現增(zeng)益選擇(zé)、信号極(ji)性📞、輸出(chū)數據速(su)㊙️率、自動(dòng)校準和(hé)AD轉換等(deng)功能🈲。這(zhè)裏用AD7715作(zuo)爲模數(shu)轉換芯(xin)片。
AD421是一(yi)種16位串(chuàn)行輸入(rù)、4~20mADC電流輸(shū)出的數(shù)模轉換(huàn)器,非線(xian)形📧誤差(chà)小⛹🏻♀️于±0.01%。主(zhu)要由數(shù)模轉換(huan)器,電流(liu)轉換器(qi)和電流(liú)調整器(qi)組成。AD421的(de)電流輸(shū)出有正(zheng)常和報(bao)警兩種(zhǒng)模🌈式。正(zhèng)常🌈模式(shi)對應4~20mADC輸(shū)出🌂,報警(jǐng)模式輸(shū)出電流(liú)擴展爲(wei)3.5~20mADC。電壓調(diào)整✏️器由(yóu)運放能(neng)隙基準(zhǔn)和外接(jiē)耗盡型(xíng)場效應(yīng)管構成(chéng)。電🏃🏻♂️壓調(diào)整器從(cóng)電流回(huí)路中獲(huo)取電流(liu)，,并給AD421及(jí)其他器(qì)件🙇🏻提供(gong)工作電(dian)流。在此(ci)設計中(zhong),選擇AD421作(zuò)爲數模(mó)轉換芯(xin)片,它可(ke)以爲其(qí)他芯片(piàn)提供工(gōng)作電壓(ya)，還可以(yǐ)将CPU輸入(ru)的數字(zi)信号轉(zhuǎn)換爲4~20mADC電(dian)流輸出(chu)，并将數(shù)字信号(hao)疊加在(zài)4~20mADC電流上(shàng)一起輸(shu)出。
4智能(néng)式電磁(ci)流量計(jì)
圖3爲采(cǎi)用HART通信(xìn)技術的(de)智能式(shi)電磁流(liú)量計的(de)原理框(kuang)圖,整個(ge)系統由(you)電磁流(liu)量計、CPU、AD7715、AD421和(he)HT2012通信部(bù)分組成(chéng)。CPU采用MCS-51微(wei)處理器(qì)。流🈲量信(xìn)号g.經電(diàn)磁流量(liàng)計轉換(huan)後,輸出(chu)🌈的0~5V電壓(ya)信号加(jiā)在AD7715的輸(shū)入端上(shàng),經過AD7715轉(zhuǎn)換爲數(shu)字信✍️号(hào)實現A/D采(cai)樣;AD7715采用(yòng)三線串(chuàn)行口與(yu)CPU相連。HART通(tōng)⛷️信部分(fen)由HT2012、帶通(tōng)濾波器(qì)和輸出(chū)波形整(zheng)形電路(lù)等組成(chéng)。AD421及電壓(ya)調整電(diàn)路,将CPU輸(shu)出的數(shù)字信号(hào)🔴轉換爲(wèi)4~20mADC電流信(xìn)号,作爲(wei)整機輸(shū)出，實現(xiàn)D/A轉換。另(lìng)🔱外,由HART通(tong)信模塊(kuai)輸出的(de)經過整(zheng)形後的(de)FSK信号,也(ye)經AD421-起疊(die)加輸出(chu)，實現數(shù)字信号(hao)和模拟(ni)信💞号同(tóng)時輸出(chū)。AD421自帶的(de)電壓調(diào)整電路(lu)🧡可将💛變(biàn)送器的(de)24V供電電(dian)壓轉換(huàn)📱成穩定(dìng)的5V電壓(ya)，給CPU、A/D.D/A等芯(xin)片供電(diàn)。系統還(hai)配備了(le)WDT監控✉️電(diàn)路，和電(diàn)磁流量(liàng)計的勵(lì)🚩磁電🐇路(lù)。
該系統(tong)的軟件(jiàn)有測控(kong)程序和(hé)通信程(cheng)序。測控(kong)程序包(bāo)❌括A/ID采⭕樣(yang)程序、量(liàng)程轉換(huàn)程序、非(fei)線性補(bu)償程序(xu)、D/A轉🏒換程(chéng)序等;通(tong)信程序(xu)包括⛷️實(shí)現HART協議(yi)數據鏈(lian)路層和(hé)應用層(céng)的軟件(jian)。
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