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ZNGB渦街流量計(jì)基于HART協(xié)議的溫壓補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì) 在傳統(tǒng)ZNGB渦街流量計(jì)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)出符合HART協(xié)議的兩線制一體化溫壓補(bǔ)償型ZNGB渦街流量計(jì).介紹了傳盛器工作原理和溫壓補(bǔ)償方法,給出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和硬件電路組成.著重闡述了HART協(xié)議在ZNGB渦街流量計(jì)中的軟硬件實(shí)現(xiàn)方法,并通過HART調(diào)制解調(diào)器實(shí)現(xiàn)了儀表與上位機(jī)之間的雙向數(shù)字通訊. 1 溫壓補(bǔ)償 對(duì)于氣體質(zhì)量流量的測量,由于易受溫度、壓力的影響使其偏離理想的工作狀態(tài),從而導(dǎo)致測量結(jié)果產(chǎn)生較大誤差.因此,為了提高精度,在本設(shè)計(jì)中增設(shè)溫度和壓力傳感器,對(duì)氣體質(zhì)量流量的測量進(jìn)行溫壓補(bǔ)償[2].下面以過熱蒸汽為例,介紹溫壓補(bǔ)償方法的實(shí)現(xiàn). 對(duì)于過熱蒸汽的密度計(jì)算,通常采取如下兩種方法: ρ=AP/（BT + CP + D） （2） ρ=[a（t + 273.15）/（bP + c）+ dT-e）]-1 （3） 式中,T— 過熱蒸汽的溫度,℃ P— 過熱蒸汽的壓力,MPa A=201.3017 B=1 C=-1.557327 D=244.6104 a=0.00471 b=10.197 c=1.0336 d=1.32×10-5 e =0.0097 由于這兩個(gè)公式對(duì)于某些點(diǎn)的測量精度不夠高,所以為了提高計(jì)量的準(zhǔn)確度,在式（2）或式（3）的基礎(chǔ)上加入一個(gè)修正項(xiàng)ρ2（P,T）,即 ρ2（P,T）=ρ1（P,T）+ρ2（P,T） （4） 其中,ρ2（P,T）可由下式求得: ρ2（P,T）=A0（P）+A1（P）（T-100）+A2（P）（T-100）2 （5） A0（P）=a00 + a01P + a02P2 （6） A1（P）=a10 + a11P + a12P2 （7） A2（P）=a20 + a21P + a22P2 （8） 式中,a00=-1.2731×10-2 a01=8.6967×10-2 a[02]=0.41105 a10=-5.2032×10-6 a11=9.7009×10-4 a12=-3.2285×10-3 a20=5.7813×10-8 a21=2.5515×10-6 a22=6.6671×10-6 利用此公式所得到的過熱蒸汽密度值,其補(bǔ)償精度很高.同理,對(duì)于其它類型的氣體,也可以采用其相對(duì)應(yīng)的密度補(bǔ)償公式來實(shí)現(xiàn)對(duì)質(zhì)量流量測量的溫壓補(bǔ)償.引言 ZNGB渦街流量計(jì)的應(yīng)用是80年代興起的一種測量技術(shù),其優(yōu)點(diǎn)在于量程范圍寬、維護(hù)簡單、介質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)等.目前,它在蒸汽和其它氣體測量中逐步取代其它類型的流量計(jì),得到廣泛應(yīng)用[2].HART （Highway Addressable Remote Transducer）協(xié)議是美國Rosemout公司于80年代提出的一種用于現(xiàn)場智能儀表和控制室設(shè)備通訊的協(xié)議,它具有兼容4~20mA模擬信號(hào)與數(shù)字通信的性質(zhì)[4].本文所設(shè)計(jì)的流量計(jì)是在現(xiàn)有ZNGB渦街流量計(jì)的基礎(chǔ)上,加入溫度和壓力參數(shù)的測量,并將HART通訊協(xié)議引入流量計(jì)中,設(shè)計(jì)出集溫度、壓力、流量測量于一體的帶有HART協(xié)議的溫壓補(bǔ)償型ZNGB渦街流量計(jì).經(jīng)研究表明,這種ZNGB渦街流量計(jì)不僅具有溫壓補(bǔ)償功能,而且實(shí)現(xiàn)了與上位機(jī)的遠(yuǎn)程操作,具有廣闊的發(fā)展前景. 2 流量測量原理及溫壓補(bǔ)償 2.1 流量測量原理 渦街流量傳感器是依據(jù)卡門渦街原理制成的,即在充滿流體的管道中垂直于流體的流向上插入非線性物體（即旋渦發(fā)生體）,當(dāng)流體的流速達(dá)到一定數(shù)值時(shí),在旋渦發(fā)生體兩側(cè)會(huì)交替釋放出兩列規(guī)則排列的旋渦,單列旋渦的頻率f與被測流體的平均流速v存在如下的關(guān)系式[1]: f= St（V1/d） （1） 式中,f— 單列旋渦頻率,Hz d— 旋渦發(fā)生體迎流面的寬度,m V1— 旋渦發(fā)生體兩側(cè)平均流速,m/s St— 斯特勞哈爾數(shù),無量綱 當(dāng)雷諾數(shù)Re在2×104~7×106的范圍內(nèi),旋渦發(fā)生體和管徑足寸確定后,St值為常數(shù).由此可知,單列旋渦頻率和流體體積流量成正比,只要用傳感器檢測出旋渦頻率f的數(shù)值,就可準(zhǔn)確地確定流量的大小. 3 基于HART協(xié)議的溫壓補(bǔ)償型ZNGB渦街流量計(jì)的硬件設(shè)計(jì) 帶有HART通訊協(xié)議功能的溫壓補(bǔ)償型ZNGB渦街流量計(jì)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.電路采取模塊化設(shè)計(jì),主要包含了傳感器模塊、MCU模塊、HART通訊模塊和顯示模塊四個(gè)部分. 首先,由傳感器模塊測得的頻率信號(hào)經(jīng)放大、濾波、整形后送入單片機(jī)進(jìn)行線形化處理、量程轉(zhuǎn)換、累計(jì)流量計(jì)算和單位轉(zhuǎn)換等.如果測量介質(zhì)是氣體,還需要通過A/D采樣得到溫度和壓力值,根據(jù)密度補(bǔ)償模型計(jì)算出質(zhì)量流量.然后,經(jīng)過溫壓補(bǔ)償后的流量信號(hào)通過HART通訊模塊實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的遠(yuǎn)程通訊. 3.1 低功耗設(shè)計(jì) 由于本流量計(jì)采用電源線和信號(hào)線復(fù)用的兩線制方式,其電路消耗的電流加上0.5mA的HART正弦調(diào)制波信號(hào)電流不得超過4mA的回路電流,即系統(tǒng)功耗必須小于3.5mA.這里,采用了純硬件的方法來降低功耗. 經(jīng)過多方面選擇和比較、最終所選用的A/D、D/A、EEPROM、液晶顯示器件以及頻率信號(hào)放大電路這幾部分的電流之和不超過2.2mA.MCU選用了以低功耗為特征的MICROCHIP公司的PIC16F877芯片,它在1.8432MHz下工作電流小于0.8mA.壓力和溫度測量電路部分則采用0.5mA的恒流源串聯(lián)供電,這樣整個(gè)系統(tǒng)的電流不超過3.5mA,符合HART協(xié)議的要求,可在此基礎(chǔ)上疊加HART信號(hào),保證總電流會(huì)超過4mA. 3.2 HART通訊模塊設(shè)計(jì) HART通訊模塊部分主要由D/A轉(zhuǎn)換器和Bell202 M0DEM及其附屬電路來實(shí)現(xiàn)[3],部分電路連接如圖2所示. D/A轉(zhuǎn)換器采用AD421,它是美國ADI公司推出的一種單片高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換器,由環(huán)路供電, 16位數(shù)字信號(hào)以串行方式輸入.可以將數(shù)字信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成4~20mA電流輸出, 采用16引腳DIP 、TSSOP 、SOIC封裝.AD421除了能進(jìn)行串行16位D/A轉(zhuǎn)換外,還提供可選擇的（5V、3.3V或3V）穩(wěn)壓輸出以供電路其它部分的用電. HART MODEM采用Smar公的HT2012芯片,它是符合Bell 202通訊標(biāo)準(zhǔn)的半雙工調(diào)制解稠器.采用16腳DIP和28腳PLCC封裝[5].它一方而與MCU的異步串口進(jìn)行串行通訊,另一方面將輸入的不歸零制的數(shù)字信號(hào)調(diào)制成1200Hz（邏輯1）和2200Hz（邏輯0）的FSK信號(hào),經(jīng)過AD421疊加在4~20mA回路上輸出,或者將回路信號(hào)經(jīng)放大整形、帶通濾波后取出FSK信號(hào),再將其解調(diào)為數(shù)字信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)HART通訊. 附屬電路主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的濾波整形,由帶通濾波器和方波整形電路組成.其中,方波整形電路將HT2012輸出的電壓信號(hào)整形為方波,產(chǎn)生數(shù)字電路所要求的陡峭的上升沿和下降沿,然后通過電容耦合到AD421的C3端口.帶通濾波器由兩片低功耗運(yùn)算放大器及電阻、電容組成,其通帶頻率大約為950~2550Hz.它將4~20mA環(huán)路上±0.5mA HART電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào),經(jīng)過HT2012解調(diào)再送入單片機(jī)串行通訊接口,完成數(shù)據(jù)接收任務(wù). 4 基于HART協(xié)議的多變量ZNGB渦街流量計(jì)的軟件設(shè)計(jì) 此流量計(jì)的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、測控程序和HART通訊程序三部分組成.主程序主要完成上電復(fù)位后對(duì)I/O口、定時(shí)器、異步串行口以及一些參數(shù)的初始化工作,并在主循環(huán)中等待響應(yīng)中斷.測控程序和HART通訊程序均采用中斷程序設(shè)計(jì),以保證準(zhǔn)確測量和實(shí)時(shí)通訊.測控程序主要包括A/D采樣、流量計(jì)算、溫壓補(bǔ)償及鍵盤和LCD示程序等. HART通訊程序亦即HART協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的軟件實(shí)現(xiàn),是HART多變量ZNGB渦街流量計(jì)的設(shè)重點(diǎn).HART協(xié)議通過MCU的串行口采用主從方式進(jìn)行通訊.流量計(jì)在上位機(jī)詢問時(shí)發(fā)出應(yīng)答信號(hào).通過HT2012實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送.先由上位機(jī)發(fā)送命令幀格式,ZNGB渦街流量計(jì)由串行口中斷接收到命令幀后,由MCU作相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理,然后將處理過的數(shù)據(jù)整理后作為應(yīng)答幀的內(nèi)容放入發(fā)送緩沖區(qū), 再由MCU觸發(fā)發(fā)送中斷,發(fā)出應(yīng)答幀,從而完成一次命令的交換.接收數(shù)據(jù)時(shí),若該流量計(jì)檢測到數(shù)據(jù)有錯(cuò),則等到上位機(jī)命令幀發(fā)送完以后,它發(fā)出置有相應(yīng)錯(cuò)誤狀態(tài)位的應(yīng)答幀、告知上位機(jī)數(shù)據(jù)接收有誤,上位機(jī)接收該應(yīng)答幀后,則重發(fā)命令幀,從而保證通訊的準(zhǔn)確無誤.基本的串行中斷程序框圖如圖3所示. 5 結(jié)束語 本文所介紹的溫壓補(bǔ)償型ZNGB渦街流量計(jì)不僅具有普通儀表的量程、零點(diǎn)、單位轉(zhuǎn)換等功能外,而且符合HART協(xié)議的要求,可與上二位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作, 由上位機(jī)遠(yuǎn)程讀取瞬時(shí)流量、累積流量等參數(shù),或?qū)α砍?、零點(diǎn)、單位等進(jìn)行設(shè)置,便于實(shí)時(shí)監(jiān)控.同時(shí),由于引入了溫度、壓力信號(hào)的補(bǔ)償.ZNGB渦街流量計(jì)的測量精度大為提高.因此,這種帶有HART協(xié)議的溫壓補(bǔ)償型ZNGB渦街流量計(jì)在國內(nèi)必將具有良好的發(fā)展前景. 參考文獻(xiàn) [1]蔡武昌等.流量測量方法和儀表的選用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2001 [2]莫德舉.朱大雷,吳天文.多變量渦街變送器的研究.測控技術(shù).2001,20（11）:18-26. [3]蔡立虹.龐彥斌.HT2012 HART MODEM在HART協(xié)議中的應(yīng)用.工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置.2001.（2） 推薦產(chǎn)品.電磁流量計(jì),壓力變送器,孔板流量計(jì),V錐型流量計(jì),超聲波流量計(jì),渦街流量計(jì),渦輪流量計(jì),熱電偶.