摘要:針對儀表(biǎo)使用現狀,介紹(shao)一種具有HART協議(yì)的智能式電磁(ci)流量計 。設計了(le)以HART通信模塊HT2012和(hé)AD7715、AD421爲主要芯片的(de)智能電磁流量(liang)⛷️計的🔴接口卡。
1電(dian)磁流量計
　　電磁(ci)流量計 的基本(běn)原理是法拉第(dì)電磁感應定律(lǜ)，即導體在磁場(chang)中切割磁♊力線(xian)運動時在其兩(liang)端産生感應電(dian)動勢。
E=KBDν
　　式中E:感應(yīng)電動勢,B:磁感應(yīng)強度,D:管道直徑(jing),ν:流體平均速度(du)。流體✏️的🔞體積流(liu)量qv爲:
 
　　電磁流量(liang)計分爲流量傳(chuán)感器和轉換器(qì)兩部分。傳🛀🏻感器(qì)☁️包括測量管,激(jī)磁線圈,電極等(deng),将流量信号轉(zhuan)換爲感應電勢(shì),由電🛀🏻極引出;轉(zhuan)換器将E轉換爲(wèi)标準信号輸☂️出(chū)，以便進行計數(shù)測量。
　　電磁流量(liàng)計的測量優點(dian)很多，(1)它的測量(liang)管是光滑直管(guan),不易阻塞,适用(yong)于測量含有固(gu)體顆粒或纖維(wei)的液固兩相流(liu)體,如🔞紙漿、煤水(shui)漿、礦漿、泥漿和(he)污水等;(2)它的壓(yā)力損失小,且前(qián)置直管段要♍求(qiu)較低;(3)輸出線性(xìng)，且其體積流量(liàng)不受流體♉密度(du)、粘度、溫度、壓.力(li)和導電率變化(huà)的影響,抗幹擾(rao)能力強;(4)測量範(fan)圍大,量程比大(da),通常可達20:1~50:1;(5)測量(liang)口徑範圍寬,從(cóng)幾mm到3m,可測正反(fǎn)雙向🥵流量,也可(ke)測脈動流量。但(dàn)它不能測電導(dǎo)‼️率低的液體,不(bu)能測🔴氣體、蒸汽(qì)和含有較多較(jiào)大氣泡的液體(ti)的流量,如石油(yóu)制品🔱,有機溶劑(jì)等。
　　智能化的電(dian)磁流量計是數(shu)字信号和模拟(nǐ)信号混♍合的變(biàn)送器,在普通電(diàn)磁流量計的基(jī)礎上結合HART通信(xìn)協議,可以實現(xian)流量儀表智能(néng)化,适應現場總(zǒng)線🏃🏻控制系統的(de)要求。
2HART協議
　　HART(HighAddressableRenoteTransducer可尋(xún)址遠程傳感器(qì)高速通道)通信(xìn)協議是一種過(guò)渡性協議,它參(can)照“ISO/OSI”的模型标準(zhun),簡化并引用其(qi)中三層,即物理(li)層,數據鏈路層(ceng)和應用層制定(dìng)而成;采用📐FSK(頻移(yi)鍵控)技術,在一(yi)條💞電纜線上同(tóng)時傳輸4~20mADC的模拟(nǐ)信号和數字信(xin)号,使模拟信号(hào)和數字雙向通(tong)訊能同時進行(hang),互不幹擾。如圖(tú)1,在4~20mADC基礎_上疊🐪加(jia)幅度爲±0.5mA的不同(tong)頻率的正弦調(diao)制波作爲數字(zì)信号,1200Hz頻率📧代表(biao)♻️邏輯“1”，2200Hz代表🌈邏輯(ji)“0”。其傳送速🏃‍♀️率爲(wèi)1200bit/S。
 
　　HART通信可以有點(dian)對點或多點連(lián)接模式。傳輸介(jie)質一🌈般爲雙纜(lan)線;當傳輸線路(lu)較長時,可用屏(ping)蔽雙絞線。HT2012是專(zhuan)⭐門爲HART産品而設(she)計生🐪産的，具有(yǒu)價格便宜、功耗(hao)✍️低的特點。它包(bao)🙇‍♀️括調制器、解調(diào)器、載波💋監測電(dian)路和時基電路(lù),如圖2。時基電路(lu)外接.460.8kH的振蕩頻(pín)率信号,調♌制器(qì)将由IIXD引腳輸入(ru)的數字信号調(diào)制成FSK信号，從OXTA端(duan)輸出;解調器♍将(jiang)從RXA引腳輸入的(de)FSK信号解調成數(shu)字信🍓号，由ORXD端輸(shū)出。調制🐇器和解(jie)調器的工作受(shòu)NRTS端輸入電平的(de)控制，NRTS端子與CPU的(de)I/O口相連,可以由(you)CPU來控制調制器(qi)和解調器的工(gōng)作狀态，其通信(xin)爲半雙工方式(shì)。當NRTS輸入爲低電(dian)平“0”時,調制器工(gōng)作,解調器輸出(chū)不定;當NRTS端輸入(ru)爲高電平“1”時,解(jiě)調器工作,調制(zhì)器呈高阻狀态(tai)。
 
　　HART協議通信電路(lu)由CPU、數模轉換器(qi)AD421、HART通信模塊HT2012、波形(xíng)整形電路📐和帶(dài)通濾波器組成(chéng)。CPU輸出的與被測(cè)參數成比🎯例的(de)數字信号，經AD421轉(zhuan)換爲⭕4~20mA電流輸出(chū)。同時,需進行數(shu)字通信的二進(jìn)🧡制數字信号由(you)串行口👉發送端(duan)RX輸出至HT2012調制爲(wèi)FSK信号,再經波形(xing)整形電路送至(zhì)AD421,疊加到4~20mA直流信(xin)号上。
3AD7715和AD421
　　AD7715是一種(zhǒng)帶有模拟前置(zhi)放大器的A/D轉換(huan)芯片，是一種用(yong)于低頻測量的(de)芯片,它可直接(jiē)接受電磁流量(liàng)計的直📱流低電(dian)平輸入信号☀️并(bing)輸出串行數字(zì)信号。該💁芯片采(cǎi)🛀用2A轉換🆚技術,具(jù)有16位的精度高(gāo)⚽模數轉換特性(xing),有良好的抗幹(gan)擾🍓性，有自校準(zhun)和系統校準的(de)功♻️能,可以消除(chú)零點誤差,滿量(liang)程誤差和溫度(dù)漂移的影響。AD7715的(de)模拟輸入爲差(chà)動方式,有單極(ji)性和雙極性輸(shū)入,信号範圍可(kě)選。前置放大器(qì)有1、2、32、128四種增益可(kě)選,有🌂4個片内寄(ji)存器，對它的編(biān)程可以實現增(zeng)益選擇⁉️、信号極(ji)性、輸出數據速(sù)率、自動校準和(hé)AD轉換等功能。這(zhe)裏用AD7715作爲模數(shù)轉換芯片。
　　AD421是一(yi)種16位串行輸入(ru)、4~20mADC電流輸出的數(shu)模轉換器,非線(xiàn)形誤✌️差小于±0.01%。主(zhǔ)要由數模轉換(huan)器,電流轉換器(qi)和電流調整器(qi)組成。AD421的電流輸(shu)出有正常和報(bào)警兩種模㊙️式。正(zheng)常模式對應4~20mADC輸(shu)出,報警模式輸(shu)出🏃電流擴展爲(wèi)💁3.5~20mADC。電壓調整器由(you)運放能隙基準(zhǔn)和外接耗🔱盡型(xíng)場效🌈應管構成(cheng)。電🤟壓調整器從(cong)電流回路中獲(huò)取電流，,并給AD421及(ji)其他器件提供(gong)工作電流。在此(ci)設計中,選擇AD421作(zuo)☔爲數模轉🔱換芯(xīn)片,它可以🌈爲其(qí)他芯♍片提供工(gōng)作電壓，還可以(yi)将CPU輸入的數字(zì)信号轉換爲4~20mADC電(dian)流輸出，并将數(shù)字信号疊加在(zai)4~20mADC電流上一🌈起輸(shū)出。
4智能式電磁(cí)流量計
 
　　圖3爲采(cai)用HART通信技術的(de)智能式電磁流(liú)量計的原理🌈框(kuàng)圖,整個系統由(yóu)電磁流量計、CPU、AD7715、AD421和(he)HT2012通信部分組成(cheng)。CPU采用MCS-51微處理器(qi)。流💁量信号g.經電(diàn)磁流量計轉換(huàn)後,輸出✊的0~5V電壓(yā)信号加在AD7715的輸(shu)入端上,經過AD7715轉(zhuǎn)換爲數字信号(hao)實現A/D采樣;AD7715采用(yòng)三線串行口與(yǔ)CPU相連。HART通信部分(fen)由HT2012、帶通濾波器(qì)和輸出波形整(zhěng)形電路等組成(cheng)。AD421及電壓🤟調整電(dian)路,将CPU輸☔出的數(shù)字信号👉轉換爲(wei)4~20mADC電流信号,作爲(wei)整機輸出，實現(xian)D/A轉換。另外,由HART通(tōng)信模塊輸出的(de)經過整形後的(de)FSK信号,也經AD421-起疊(die)加輸出，實現數(shu)字信号和模拟(ni)信号同時輸出(chu)。AD421自帶的電壓調(diào)整電路🙇‍♀️可将變(bian)送器的24V供電電(diàn)壓轉換㊙️成穩定(ding)的5V電壓，給CPU、A/D.D/A等芯(xīn)片供電。系統還(hai)❓配備了WDT監控電(dian)路，和電磁流量(liàng)計的勵磁電路(lu)。
　　該系統的軟件(jiàn)有測控程序和(he)通信程序。測控(kòng)程序包括A/ID采樣(yàng)程序、量程轉換(huan)程序、非線性補(bǔ)償程序、D/A轉換程(chéng)序等㊙️;通信程序(xu)包括🔞實現HART協議(yi)數據鏈路層和(hé)🥵應用層的軟件(jiàn)㊙️。

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