摘要(yao):針對儀表使(shǐ)用現狀,介紹(shào)一種具有HART協(xié)議的智能式(shì)電磁流量計(ji) 。設計了以HART通(tōng)信模塊HT2012和AD7715、AD421爲(wei)主要芯片的(de)智能電磁流(liu)量計的接口(kǒu)卡。
1電磁流量(liang)計
　　電磁流量(liang)計 的基本原(yuán)理是法拉第(dì)電磁感應定(ding)律，即導體在(zài)磁場👅中切割(gē)磁力線運動(dong)時在其兩端(duān)産生感應電(dian)動勢。
E=KBDν
　　式中E:感(gǎn)應電動勢,B:磁(cí)感應強度,D:管(guan)道直徑,ν:流體(tǐ)平均速度。流(liú)體的體積流(liu)量qv爲:
 
　　電磁流(liú)量計分爲流(liu)量傳感器和(hé)轉換器兩部(bù)分。傳感器包(bao)括測🧑🏾‍🤝‍🧑🏼量管,激(jī)磁線圈,電極(ji)等,将流量信(xìn)号轉換爲感(gan)應電勢,由電(dian)極引出;轉換(huàn)器将E轉換爲(wei)标準信号輸(shu)⁉️出，以便進行(háng)計數測量。
　　電(dian)磁流量計的(de)測量優點很(hen)多，(1)它的測量(liang)管是光滑🚶直(zhí)💃🏻管,不易阻塞(sāi),适用于測量(liàng)含有固體顆(kē)粒或纖維的(de)液固兩相流(liú)體,如紙漿、煤(mei)水漿、礦漿、泥(ní)漿和污水🔞等(deng);(2)它的壓力損(sǔn)失小,且前置(zhì)直管段要🧑🏾‍🤝‍🧑🏼求(qiú)較低;(3)輸出線(xiàn)性，且其體積(jī)流量不受流(liú)體密度、粘度(dù)🔞、溫度、壓.力❓和(hé)導電率變化(huà)的影響,抗幹(gan)擾能力強;(4)測(cè)量範圍大💔,量(liang)程比大,通常(chang)可達20:1~50:1;(5)測量口(kou)徑範圍寬,從(cóng)幾mm到3m,可測🔆正(zheng)反雙向流量(liàng),也可測脈動(dong)流量。但🏃它不(bú)能測電導率(lǜ)🈲低的液體,不(bu)能測👨‍❤️‍👨氣體、蒸(zhēng)汽和含有📧較(jiào)多較大氣泡(pao)的液體的流(liu)量,如石油制(zhi)品🌐,有機溶劑(ji)等。
　　智能化的(de)電磁流量計(ji)是數字信号(hao)和模拟信号(hào)混合☎️的變送(sòng)✂️器😍,在普通電(dian)磁流量計的(de)基礎上結合(hé)HART通信協議,可(kě)🚶以實現流💋量(liang)儀✍️表智能化(huà),适應現場總(zǒng)線控制系統(tong)的要👌求。
2HART協議(yi)
　　HART(HighAddressableRenoteTransducer可尋址遠程(cheng)傳感器高速(sù)通道)通信協(xie)議是一種過(guo)渡性協議,它(ta)參照“ISO/OSI”的模型(xing)标準,簡化并(bing)引用其中三(sān)層,即物理層(ceng),數據鏈路層(ceng)和應用層制(zhi)定而成;采用(yong)FSK(頻移鍵控)技(jì)術,在一條電(diàn)纜線上同時(shi)傳輸4~20mADC的模拟(nǐ)信号和數字(zì)信号,使模拟(ni)信号和數字(zì)雙向通訊能(néng)🌈同時進行,互(hu)🍉不幹擾。如圖(tú)1,在4~20mADC基礎_上疊(die)加幅度爲±0.5mA的(de)📐不同頻率的(de)正弦調制波(bō)作爲數字信(xin)号,1200Hz頻率代表(biǎo)邏輯“1”，2200Hz代表⭐邏(luó)輯“0”。其傳送速(sù)率爲1200bit/S。
 
　　HART通信可(kě)以有點對點(dian)或多點連接(jie)模式。傳輸介(jiè)質一般爲雙(shuang)纜線;當傳輸(shū)線路較長時(shi),可用屏蔽雙(shuāng)絞線。HT2012是專門(men)爲HART産品而設(she)♌計生産的，具(jù)有價格便宜(yi)、功耗低的特(te)點。它包括調(diao)制器、解調器(qi)、載波監測電(dian)路和時基電(dian)路🙇‍♀️,如圖2。時基(ji)電路外接.460.8kH的(de)振蕩頻率信(xin)号,調制器将(jiang)由IIXD引❓腳輸入(ru)的數字信号(hao)調制成FSK信号(hào)，從OXTA端輸出;解(jiě)調器将從RXA引(yǐn)腳輸入的FSK信(xin)号解調成數(shù)字信号，由ORXD端(duān)輸出。調制器(qi)和解調器的(de)工作受NRTS端輸(shū)入電平的控(kòng)制，NRTS端子與CPU的(de)I/O口相連,可以(yi)由CPU來💚控制調(diao)制器和解調(diao)器的工作狀(zhuàng)态，其通信爲(wèi)半雙工方式(shì)。當NRTS輸🏃‍♀️入爲低(di)電平“0”時,調制(zhì)器工作,解調(diao)器輸出不定(dìng);當NRTS端輸入爲(wèi)高電平“1”時,解(jie)調器工作,調(diao)制器呈高阻(zu)狀态。
 
　　HART協議通(tōng)信電路由CPU、數(shu)模轉換器AD421、HART通(tōng)信模塊HT2012、波形(xíng)整形電☎️路和(hé)帶😘通濾波器(qi)組成。CPU輸出的(de)與被測參數(shù)成比🔞例的數(shu)字信号，經AD421轉(zhuǎn)換爲4~20mA電流輸(shū)出。同時,需進(jìn)行數字通信(xin)的二進制數(shu)字信号由🥵串(chuan)行口發送端(duan)RX輸出至HT2012調制(zhi)爲FSK信号,再經(jīng)波形整形♊電(diàn)路送至AD421,疊加(jia)到4~20mA直❤️流信号(hao)上。
3AD7715和AD421
　　AD7715是一種(zhǒng)帶有模拟前(qian)置放大器的(de)A/D轉換芯片，是(shì)一種用于🔴低(di)頻測💜量的芯(xīn)片,它可直接(jiē)接受電磁流(liu)量計的直流(liú)低電平輸入(ru)信号并輸出(chū)串行數字信(xìn)号。該芯片采(cǎi)🔴用2A轉換🧑🏾‍🤝‍🧑🏼技術(shù),具有16位的精(jing)度高🈲模數轉(zhuǎn)換特性,有良(liáng)好🙇🏻的抗幹擾(rǎo)性，有自校🏃🏻準(zhǔn)和系統校準(zhǔn)的功能,可以(yǐ)消除💚零點誤(wù)差,滿量程誤(wu)差和溫度漂(piāo)移的影響。AD7715的(de)模拟輸入爲(wei)差動方式,有(yǒu)單極性和雙(shuang)🔴極性輸入,信(xin)号範圍可選(xuan)。前置放大器(qì)有1、2、32、128四種增益(yì)可選,有4個片(pian)内寄存器，對(duì)它的編程可(ke)以實現增益(yì)選擇、信号極(jí)性、輸出數據(ju)速🔴率、自動校(xiào)準和AD轉換等(děng)功能。這裏用(yòng)AD7715作爲模數轉(zhuan)換芯片。
　　AD421是一(yī)種16位串行輸(shū)入、4~20mADC電流輸出(chū)的數模轉換(huan)器,非線形誤(wu)差♍小于🌈±0.01%。主要(yao)由數模轉換(huàn)器,電流轉換(huan)器和電流調(diào)整器組成。AD421的(de)電流輸出有(you)正常和報警(jǐng)兩種模式。正(zheng)常模式對應(ying)4~20mADC輸出,報警模(mó)式輸出電流(liú)擴展爲🛀🏻3.5~20mADC。電壓(ya)調整器由運(yun)放能隙基準(zhun)📐和外接耗盡(jìn)型場效應管(guǎn)構成。電🐉壓調(diào)整器從電流(liú)回路中獲取(qǔ)電流，,并🤟給AD421及(ji)其他器件🔞提(tí)供工作電流(liú)。在此設計中(zhong),選擇AD421作💃爲數(shu)模轉換芯片(pian),它可以爲其(qi)他芯片提供(gong)工作電💋壓，還(hai)可以将CPU輸入(rù)的數字信号(hao)轉換爲4~20mADC電流(liú)輸出，并🥵将數(shù)字信号疊加(jia)在4~20mADC電👨‍❤️‍👨流上一(yī)起輸出。
4智能(neng)式電磁流量(liàng)計
 
　　圖3爲采用(yòng)HART通信技術的(de)智能式電磁(cí)流量計的原(yuan)理框圖,整個(ge)系統由電磁(ci)流量計、CPU、AD7715、AD421和HT2012通(tong)信部分組成(cheng)。CPU采✂️用MCS-51微處理(lǐ)器。流💁量信号(hao)g.經電磁流量(liàng)計轉換後,輸(shū)出的0~5V電壓信(xìn)号加🏃‍♀️在AD7715的輸(shū)入端上,經過(guo)AD7715轉換爲數字(zì)信号實現A/D采(cai)樣;AD7715采用三線(xiàn)串行口與CPU相(xiàng)連。HART通信部分(fèn)由🌈HT2012、帶通濾波(bō)器和輸出波(bo)形整形電路(lu)等組成。AD421及電(dian)壓調整電路(lu),将🌍CPU輸出的數(shu)字信号轉換(huàn)爲4~20mADC電流信号(hao),作♍爲整機輸(shū)出，實現D/A轉換(huàn)。另外,由HART通信(xin)模塊輸出的(de)經🐉過整形後(hòu)的FSK信号,也經(jīng)AD421-起疊加輸出(chu)，實💚現數字信(xìn)号和模拟信(xin)号同時輸出(chu)。AD421自帶的電壓(ya)調整電路可(ke)将📧變送器的(de)24V供電電壓轉(zhuan)換成穩定的(de)5V電壓📞，給CPU、A/D.D/A等芯(xin)片供電。系統(tong)還配備了WDT監(jiān)控電👣路，和電(diàn)磁流量計的(de)勵磁電🤞路。
　　該(gāi)系統的軟件(jian)有測控程序(xu)和通信程序(xu)。測控程序包(bāo)括A/ID采樣🔱程🌈序(xu)、量程轉換程(chéng)序、非線性補(bǔ)償程序、D/A轉換(huàn)程序等;通信(xìn)程序包括實(shí)現HART協議數據(ju)鏈路層和應(ying)用層的軟件(jiàn)🚶‍♀️。

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