摘要(yao):針對儀表(biao)使用現狀(zhuang),介紹一種(zhong)具有HART協議(yi)的智能式(shi)電磁流量(liang)計 。設計了(le)以HART通信模(mo)塊HT2012和AD7715、AD421爲主(zhu)要芯片的(de)智能電磁(ci)流量計🔆的(de)接口卡。
1電(dian)磁流量計(ji)
　　電磁流量(liang)計 的基本(ben)原理是法(fa)拉第電磁(ci)感應定律(lü)，即導體在(zai)磁💘場中切(qie)割磁力線(xian)運動時在(zai)其兩端産(chan)生感應電(dian)動勢。
E=KBDν
　　式中(zhong)E:感應電動(dong)勢,B:磁感應(ying)強度,D:管道(dao)直徑,ν:流體(ti)平均速度(du)。流體的體(ti)積流量qv爲(wei):
 
　　電磁流量(liang)計分爲流(liu)量傳感器(qi)和轉換器(qi)兩部分。傳(chuan)感器包🥰括(kuo)測量管,激(ji)磁線圈,電(dian)極等,将流(liu)量信号轉(zhuan)⚽換爲感應(ying)電勢💃,由電(dian)極引出;轉(zhuan)換器将E轉(zhuan)換爲标準(zhun)信号輸出(chu)，以便進行(hang)計數測量(liang)。
　　電磁流量(liang)計的測量(liang)優點很多(duo)，(1)它的測量(liang)管是光滑(hua)🏃‍♂️直💔管,不易(yi)阻塞,适用(yong)于測量含(han)有固體顆(ke)粒或纖維(wei)的液❌固兩(liang)相流體,如(ru)紙漿、煤水(shui)漿、礦漿、泥(ni)漿和污水(shui)等;(2)它的壓(ya)力損失小(xiao),且前置直(zhi)管段要求(qiu)較低;(3)輸出(chu)線性，且其(qi)體積流量(liang)不受流體(ti)㊙️密度、粘度(du)、溫度、壓.力(li)和導電率(lü)變化的影(ying)響,抗幹擾(rao)能力強🌐;(4)測(ce)量範圍大(da),量程比大(da),通常😘可達(da)20:1~50:1;(5)測量口徑(jing)👈範圍寬,從(cong)幾mm到🛀🏻3m,可測(ce)正反雙向(xiang)流量,也可(ke)測脈動流(liu)量。但它不(bu)能測電導(dao)率低的液(ye)體,不能測(ce)氣體、蒸汽(qi)和含有較(jiao)多較大氣(qi)泡的液體(ti)㊙️的流量,如(ru)石油制品(pin),有機溶劑(ji)等。
　　智能化(hua)的電磁流(liu)量計是數(shu)字信号和(he)模拟信号(hao)混合🔴的變(bian)送😄器,在普(pu)通電磁流(liu)量計的基(ji)礎上結合(he)HART通🤞信協議(yi),可以實現(xian)流量儀表(biao)智能化,适(shi)應現場總(zong)線控制系(xi)統的要求(qiu)。
2HART協議
　　HART(HighAddressableRenoteTransducer可尋(xun)址遠程傳(chuan)感器高速(su)通道)通信(xin)協議是一(yi)種過💋渡性(xing)協議,它參(can)照“ISO/OSI”的模型(xing)标準,簡化(hua)并引用其(qi)中三層,即(ji)物理🥵層,數(shu)據鏈🔞路層(ceng)和應用層(ceng)制定而成(cheng);采用FSK(頻移(yi)鍵控)技術(shu),在一條電(dian)纜線上同(tong)時傳輸4~20mADC的(de)模拟信号(hao)和數字信(xin)号,使模拟(ni)信号和數(shu)字雙向通(tong)訊能同時(shi)進行,互不(bu)幹擾。如圖(tu)🌈1,在4~20mADC基礎_上(shang)疊加幅度(du)爲±0.5mA的不同(tong)頻率的正(zheng)🌈弦調制波(bo)作爲數字(zi)信号,1200Hz頻率(lü)代表✌️邏輯(ji)“1”，2200Hz代表邏輯(ji)“0”。其傳送速(su)率爲1200bit/S。
 
　　HART通信(xin)可以有點(dian)對點或多(duo)點連接模(mo)式。傳輸介(jie)質一般爲(wei)雙纜線;當(dang)傳輸線路(lu)較長時,可(ke)用屏蔽雙(shuang)絞線⭕。HT2012是專(zhuan)門爲HART産品(pin)而設計生(sheng)産的，具有(you)價格便宜(yi)、功耗低的(de)特點。它包(bao)括調制器(qi)、解調器、載(zai)波監測電(dian)路和時基(ji)電路,如圖(tu)2。時基⭐電路(lu)外接.460.8kH的振(zhen)蕩頻率信(xin)号,調制器(qi)将由IIXD引腳(jiao)輸入的數(shu)💃字信号調(diao)制成FSK信号(hao)，從OXTA端輸出(chu);解調器将(jiang)從RXA引腳輸(shu)入的🈚FSK信号(hao)解調成數(shu)字信号，由(you)ORXD端輸出。調(diao)制器和解(jie)調器的工(gong)作受NRTS端輸(shu)入電平的(de)控制，NRTS端子(zi)與CPU的I/O口相(xiang)連,可以由(you)CPU來㊙️控制調(diao)制器🈲和解(jie)調器的工(gong)作狀态💃🏻，其(qi)通信爲半(ban)雙工方式(shi)。當NRTS輸🤩入爲(wei)低電平“0”時(shi),調🆚制器工(gong)作,解調器(qi)輸出不定(ding);當NRTS端🧑🏽‍🤝‍🧑🏻輸入(ru)爲高電平(ping)“1”時,解調器(qi)🌈工作,調制(zhi)器呈高阻(zu)狀态。
 
　　HART協議(yi)通信電路(lu)由CPU、數模轉(zhuan)換器AD421、HART通信(xin)模塊HT2012、波形(xing)整形電路(lu)📐和帶🏒通濾(lü)波器組成(cheng)。CPU輸出的與(yu)被測參數(shu)成比🔞例的(de)數字🔴信号(hao)👣，經AD421轉換爲(wei)4~20mA電流輸出(chu)。同時,需進(jin)行數字通(tong)信的二進(jin)制數字信(xin)号由串行(hang)口發送端(duan)RX輸出至HT2012調(diao)制爲FSK信号(hao),再經波形(xing)整形電路(lu)送至AD421,疊加(jia)到4~20mA直🛀🏻流信(xin)号上。
3AD7715和AD421
　　AD7715是(shi)一種帶有(you)模拟前置(zhi)放大器的(de)A/D轉換芯片(pian)，是一種用(yong)于低頻測(ce)量的芯片(pian),它可直接(jie)接受電磁(ci)流量計的(de)直流低電(dian)平輸入信(xin)号并輸出(chu)串行數字(zi)信号。該芯(xin)片采用2A轉(zhuan)換☁️技術,具(ju)有16位的精(jing)度高模數(shu)轉換特性(xing),有良好的(de)抗幹擾⛹🏻‍♀️性(xing)，有自校準(zhun)和系統校(xiao)準的功🐪能(neng),可以消除(chu)🧡零點誤差(cha),滿量程誤(wu)差和溫度(du)漂移的影(ying)響。AD7715的模拟(ni)輸入爲差(cha)動方式,有(you)單極性和(he)雙極性✔️輸(shu)入,信号範(fan)圍可❄️選。前(qian)置放大器(qi)有1、2、32、128四種增(zeng)益可選♊,有(you)4個片内寄(ji)存器，對它(ta)的編程可(ke)以實現增(zeng)益選擇、信(xin)号極性、輸(shu)出數據速(su)率、自動校(xiao)準和AD轉換(huan)等功能。這(zhe)裏用AD7715作爲(wei)模數轉換(huan)芯片。
　　AD421是一(yi)種16位串行(hang)輸入、4~20mADC電流(liu)輸出的數(shu)模轉換器(qi),非線🌈形🙇‍♀️誤(wu)差小于±0.01%。主(zhu)要由數模(mo)轉換器,電(dian)流轉換器(qi)和電流調(diao)🈲整器組成(cheng)⭕。AD421的電流輸(shu)出有正常(chang)和報警兩(liang)種模式。正(zheng)常💔模式對(dui)應4~20mADC輸出,報(bao)警模⭕式輸(shu)出電流擴(kuo)展爲3.5~20mADC。電壓(ya)調整器由(you)運放能隙(xi)基準和外(wai)接耗盡型(xing)場效🏃‍♀️應管(guan)構成。電壓(ya)調整器從(cong)電流回路(lu)中獲取電(dian)流，,并🔞給AD421及(ji)其他器🚩件(jian)提供工作(zuo)電流。在此(ci)設計中,選(xuan)🌂擇AD421作爲數(shu)模轉🎯換芯(xin)片,它可以(yi)爲其他芯(xin)片提供工(gong)作電壓，還(hai)可以将CPU輸(shu)入的數字(zi)信号轉換(huan)爲4~20mADC電流輸(shu)出，并将數(shu)字信号疊(die)加在4~20mADC電流(liu)上一起輸(shu)出。
4智能式(shi)電磁流量(liang)計
 
　　圖3爲采(cai)用HART通信技(ji)術的智能(neng)式電磁流(liu)量計的原(yuan)理框圖,整(zheng)✂️個系🚶‍♀️統由(you)電磁流量(liang)計、CPU、AD7715、AD421和HT2012通信(xin)部分組成(cheng)。CPU采用MCS-51微處(chu)理器。流量(liang)信♌号g.經電(dian)磁流量計(ji)轉換後,輸(shu)出的0~5V電壓(ya)信号加在(zai)AD7715的輸入端(duan)上,經過AD7715轉(zhuan)換爲數字(zi)信号實現(xian)A/D采樣;AD7715采用(yong)三📐線串行(hang)口與CPU相連(lian)。HART通信部分(fen)由🔞HT2012、帶通濾(lü)波器和輸(shu)出波形整(zheng)形電路等(deng)組成。AD421及電(dian)壓調整電(dian)路,将CPU輸出(chu)的數字信(xin)号轉換爲(wei)4~20mADC電流信🈲号(hao),作⁉️爲整機(ji)輸出，實現(xian)🍓D/A轉換。另外(wai),由HART通信模(mo)塊輸出的(de)經過整形(xing)後的FSK信号(hao),也經AD421-起疊(die)加輸出，實(shi)現數字信(xin)号📱和模拟(ni)信号同時(shi)輸出。AD421自帶(dai)的電壓調(diao)整電路可(ke)将💋變送器(qi)的24V供電電(dian)壓轉換🈚成(cheng)穩定的5V電(dian)壓，給CPU、A/D.D/A等芯(xin)片供電。系(xi)統還配備(bei)了WDT監控電(dian)路，和電磁(ci)流量計的(de)勵📞磁電🈲路(lu)。
　　該系統的(de)軟件有測(ce)控程序和(he)通信程序(xu)。測控程序(xu)包括A/ID采樣(yang)程⚽序、量程(cheng)轉換程序(xu)、非線性補(bu)償程序、D/A轉(zhuan)🐪換程序等(deng);通信程序(xu)包括實現(xian)HART協議數據(ju)鏈路層和(he)🈲應用層的(de)軟件。

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