摘要(yao):針對儀表使(shǐ)用現狀,介紹(shao)一種具有HART協(xie)議的智能式(shì)電磁流量計(jì) 。設計了以HART通(tōng)信模塊HT2012和AD7715、AD421爲(wèi)主要芯片的(de)智能電磁流(liú)量計的接口(kou)卡。
1電磁流量(liàng)計
　　電磁流量(liang)計 的基本原(yuan)理是法拉第(dì)電磁感應定(ding)律，即導體在(zai)磁場中切割(ge)磁力線運動(dong)時在其兩端(duan)産生感應電(diàn)動勢。
E=KBDν
　　式中E:感(gǎn)應電動勢,B:磁(cí)感應強度,D:管(guǎn)道直徑,ν:流體(ti)平均速度。流(liu)❤️體的🔞體積流(liú)量qv爲:
 
　　電磁流(liu)量計分爲流(liu)量傳感器和(he)轉換器兩部(bu)分。傳感器包(bāo)💯括測量管,激(jī)磁線圈,電極(jí)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(shū)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(liàng)管是光滑直(zhi)管,不易阻塞(sai),适用于測量(liàng)含有固體顆(ke)粒或纖維的(de)液🤞固兩🚩相流(liu)體,如紙漿、煤(méi)水漿、礦漿、泥(ní)漿和污水等(děng);(2)它的壓力損(sǔn)失小,且㊙️前置(zhì)直管段要求(qiu)較低;(3)輸出線(xiàn)性，且其體積(ji)流量不受流(liú)體密度、粘度(dù)、溫度、壓.力和(he)導電率變化(hua)的影響,抗幹(gàn)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(kǒu)徑範圍寬,從(cong)幾mm到3m,可測正(zheng)反雙向流量(liang),也可測脈🤩動(dòng)流量。但它不(bu)能測電導率(lü)低的液體,不(bu)能測氣體、蒸(zhēng)汽和含有🔱較(jiao)♈多較大氣泡(pào)的液體⭐的流(liu)量,如石油制(zhì)品,有機溶劑(ji)等。
　　智能化的(de)電磁流量計(ji)是數字信号(hào)和模拟信号(hao)混合的變🏃‍♂️送(sòng)器,在普通電(diàn)磁流量計的(de)基礎上結合(hé)HART通信協議,可(kě)🏃‍♂️以實現流量(liàng)儀😘表智能化(hua),适應現場總(zong)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(su)通道)通信協(xie)議是一種過(guo)渡性協議👌,它(tā)參照“ISO/OSI”的模型(xing)标準,簡化并(bing)引用其中三(san)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(dian)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(nǐ)信号和數字(zì)雙向通訊能(néng)同時進行,互(hu)不幹擾。如圖(tu)⭐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(bo)作爲數字信(xìn)号,1200Hz頻率代表(biǎo)邏輯“1”，2200Hz代表邏(luo)輯“0”。其傳送速(su)率爲1200bit/S。
 
　　HART通信可(kě)以有點對點(diǎn)或多點連接(jie)模式。傳輸介(jiè)質一般爲雙(shuāng)纜線;當傳輸(shu)線路較長時(shi),可用屏蔽雙(shuang)絞線。HT2012是專門(mén)爲HART産品而設(she)計生産的，具(ju)有價格便宜(yí)、功耗低的特(tè)點。它包括調(diào)制器、解調器(qi)、載波監測電(diàn)路和時基電(diàn)路,如圖2。時基(jī)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(rù)的數字信号(hao)調制🤩成FSK信号(hao)，從OXTA端♌輸出;解(jiě)調器将從RXA引(yin)腳輸入的FSK信(xin)号解調成數(shu)🌈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(yǐ)由CPU來控🐆制調(diào)制器和解調(diào)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(jiě)調器🈲工作,調(diao)制器呈高阻(zǔ)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(xing)整形電路🔱和(he)帶📐通濾波器(qi)組成。CPU輸出的(de)與被測參數(shù)成比例的數(shù)字🥵信号，經AD421轉(zhuǎn)換爲4~20mA電流輸(shu)出。同時,需進(jìn)行數字通信(xin)的二進制數(shù)字🙇‍♀️信号由🏃‍♂️串(chuan)行口😄發送端(duān)RX輸出至HT2012調制(zhì)爲FSK信号,再經(jīng)波形整形電(dian)路送至AD421,疊加(jia)到4~20mA直流信号(hào)上。
3AD7715和AD421
　　AD7715是一種(zhong)帶有模拟前(qian)置放大器的(de)A/D轉換芯片，是(shi)一種💯用于低(di)頻測量的芯(xīn)片,它可直接(jiē)接受電磁流(liú)量計🏃🏻的直流(liú)低電平輸入(ru)信号并輸出(chū)串行數字信(xin)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(yi)消除零點誤(wu)差,滿量程誤(wù)差和溫度漂(piao)移的影響。AD7715的(de)模拟輸入爲(wei)差動方式,有(yǒu)單極性和雙(shuāng)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(yi)可選💃,有4個片(pian)内寄存器，對(dui)它的編程可(kě)以實現增益(yi)選擇、信号極(ji)性💋、輸出數據(jù)速率、自動校(xiao)準和AD轉換等(děng)功能。這裏用(yong)AD7715作爲模數轉(zhuǎn)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(wù)差💛小于±0.01%。主要(yào)由數模轉換(huan)器,電流轉換(huan)器和電流調(diao)整器組成。AD421的(de)電流輸✉️出有(yǒu)正常和報警(jing)兩種模式。正(zhèng)常模式對🌂應(yīng)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(yùn)放能隙基準(zhǔn)🤞和外接耗盡(jin)型場效應管(guan)構成。電壓調(diao)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(zhōng),選擇AD421作⛱️爲數(shù)模轉換芯片(piàn),它可以爲其(qí)他芯📞片提供(gòng)工作電壓，還(hai)可以将CPU輸入(ru)的數字信号(hao)轉換爲4~20mADC電流(liú)輸出，并将數(shu)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(liang)計
 
　　圖3爲采用(yòng)HART通信技術的(de)智能式電磁(ci)流量計的原(yuán)理㊙️框圖🥰,整個(ge)系統由電磁(cí)流量計、CPU、AD7715、AD421和HT2012通(tōng)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(liang)計轉換後,輸(shū)出的0~5V電壓信(xìn)号加在AD7715的輸(shu)入端上🔴,經過(guò)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(lù)等🏒組成。AD421及電(diàn)壓調整電路(lù),将CPU輸出的數(shù)字信号轉換(huan)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(xìn)模塊輸出的(de)經過整形後(hou)的FSK信号,也經(jīng)AD421-起疊加輸出(chū)，實🔞現數字信(xìn)号和模拟信(xìn)号同時輸出(chū)❤️。AD421自帶的電壓(ya)調整電路可(kě)将變送器的(de)24V供電電壓轉(zhuǎn)換成穩定的(de)5V電壓，給CPU、A/D.D/A等芯(xīn)片供電。系統(tong)還配備了WDT監(jian)控電路，和電(dian)磁流量計的(de)勵磁電路。
　　該(gai)系統的軟件(jian)有測控程序(xu)和通信程序(xù)。測控程序👅包(bāo)括A/ID采樣程序(xù)、量程轉換程(cheng)序、非線性補(bu)償程序、D/A轉換(huan)程序等;通信(xin)程序包括實(shi)現HART協議數據(ju)鏈路層和應(ying)用層的軟件(jian)。

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