ZNGB渦街流量計HART協議傳感器工作原理和溫壓補償方法,給出系統的設計結構和硬件電路組成 1 引言 ZNGB渦街流量計不僅具有溫壓補償功能,而且實現了與上位機的遠程操作,具有廣闊的發展前景.HART （Highway Addressable Remote Transducer）協議是美國Rosemout公司于80年代提出的一種用于現場智能儀表和控制室設備通訊的協議,它具有兼容4~20mA模擬信號與數字通信的性質ZNGB渦街流量計的應用是80年代興起的一種測量技術,其優點在于量程范圍寬、維護簡單、介質適應性強等.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,得到廣泛應用[2].[4].本文所設計的流量計是在現有ZNGB渦街流量計的基礎上,加入溫度和壓力參數的測量,并將HART通訊協議引入流量計中,設計出集溫度、壓力、流量測量于一體的帶有HART協議的溫壓補償型ZNGB渦街流量計. 2 流量測量原理及溫壓補償 2.1 溫壓補償 對于氣體質量流量的測量,由于易受溫度、壓力的影響使其偏離理想的工作狀態,從而導致測量結果產生較大誤差.因此,為了提高精度,在本設計中增設溫度和壓力傳感器,對氣體質量流量的測量進行溫壓補償[2].下面以過熱蒸汽為例,介紹溫壓補償方法的實現. 對于過熱蒸汽的密度計算,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 由于這兩個公式對于某些點的測量精度不夠高,所以為了提高計量的準確度,在式（2）或式（3）的基礎上加入一個修正項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,其補償精度很高.同理,對于其它類型的氣體,也可以采用其相對應的密度補償公式來實現對質量流量測量的溫壓補償. 2 流量測量原理 渦街流量傳感器是依據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（即旋渦發生體）,當流體的流速達到一定數值時,在旋渦發生體兩側會交替釋放出兩列規則排列的旋渦,單列旋渦的頻率f與被測流體的平均流速v存在如下的關系式[1]: f= St（V1/d） （1） 式中,f— 單列旋渦頻率,Hz d— 旋渦發生體迎流面的寬度,m V1— 旋渦發生體兩側平均流速,m/s St— 斯特勞哈爾數,無量綱 當雷諾數Re在2×104~7×106的范圍內,旋渦發生體和管徑足寸確定后,St值為常數.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的數值,就可準確地確定流量的大小. 3 基于HART協議的溫壓補償型ZNGB渦街流量計的硬件設計 首先,由傳感器模塊測得的頻率信號經放大、濾波、整形后送入單片機進行線形化處理、量程轉換、累計流量計算和單位轉換等.如果測量介質是氣體,還需要通過A/D采樣得到溫度和壓力值,根據密度補償模型計算出質量流量.然后,經過溫壓補償后的流量信號通過HART通訊模塊實現與上位機的遠程通訊.帶有HART通訊協議功能的溫壓補償型ZNGB渦街流量計的硬件系統結構如圖1所示.電路采取模塊化設計,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部分. 3.1 低功耗設計 由于本流量計采用電源線和信號線復用的兩線制方式,其電路消耗的電流加上0.5mA的HART正弦調制波信號電流不得超過4mA的回路電流,即系統功耗必須小于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的恒流源串聯供電,這樣整個系統的電流不超過3.5mA,符合HART協議的要求,可在此基礎上疊加HART信號,保證總電流會超過4mA. 3.2 HART通訊模塊設計 HART通訊模塊部分主要由D/A轉換器和Bell202 M0DEM及其附屬電路來實現[3],部分電路連接如圖2所示. HART MODEM采用Smar公的HT2012芯片,它是符合Bell 202通訊標準的半雙工調制解稠器.采用16腳DIP和28腳PLCC封裝[5].它一方而與MCU的異步串口進行串行通訊,另一方面將輸入的不歸零制的數字信號調制成1200Hz（邏輯1）和2200Hz（邏輯0）的FSK信號,經過AD421疊加在4~20mA回路上輸出,或者將回路信號經放大整形、帶通濾波后取出FSK信號,再將其解調為數字信號,從而實現HART通訊. D/A轉換器采用AD421,它是美國ADI公司推出的一種單片高性能數模轉換器,由環路供電, 16位數字信號以串行方式輸入.可以將數字信號直接轉換成4~20mA電流輸出, 采用16引腳DIP 、TSSOP 、SOIC封裝.AD421除了能進行串行16位D/A轉換外,還提供可選擇的（5V、3.3V或3V）穩壓輸出以供電路其它部分的用電. 附屬電路主要實現信號的濾波整形,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輸出的電壓信號整形為方波,產生數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環路上±0.5mA HART電流信號轉換成電壓信號,經過HT2012解調再送入單片機串行通訊接口,完成數據接收任務. 4 基于HART協議的多變量ZNGB渦街流量計的軟件設計 HART通訊程序亦即HART協議數據鏈路層和應用層的軟件實現,是HART多變量ZNGB渦街流量計的設重點.HART協議通過MCU的串行口采用主從方式進行通訊.流量計在上位機詢問時發出應答信號.通過HT2012實現數據的接收和發送.先由上位機發送命令幀格式,ZNGB渦街流量計由串行口中斷接收到命令幀后,由MCU作相應的數據處理,然后將處理過的數據整理后作為應答幀的內容放入發送緩沖區, 再由MCU觸發發送中斷,發出應答幀,從而完成一次命令的交換.接收數據時,若該流量計檢測到數據有錯,則等到上位機命令幀發送完以后,它發出置有相應錯誤狀態位的應答幀、告知上位機數據接收有誤,上位機接收該應答幀后,則重發命令幀,從而保證通訊的準確無誤.基本的串行中斷程序框圖如圖3所示.此流量計的軟件設計主要由主程序、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位后對I/O口、定時器、異步串行口以及一些參數的初始化工作,并在主循環中等待響應中斷.測控程序和HART通訊程序均采用中斷程序設計,以保證準確測量和實時通訊.測控程序主要包括A/D采樣、流量計算、溫壓補償及鍵盤和LCD示程序等. 本文所介紹的溫壓補償型ZNGB渦街流量計不僅具有普通儀表的量程、零點、單位轉換等功能外,而且符合HART協議的要求,可與上二位機進行遠程操作, 由上位機遠程讀取瞬時流量、累積流量等參數,或對量程、零點、單位等進行設置,便于實時監控. 著重闡述了HART協議在ZNGB渦街流量計中的軟硬件實現方法,并通過HART調制解調器實現了儀表與上位機之間的雙向數字通訊.在傳統ZNGB渦街流量計的基礎上,設計出符合HART協議的兩線制一體化溫壓補償型ZNGB渦街流量計.介紹了傳感器工作原理和溫壓補償方法,給出系統的設計結構和硬件電路組成.同時,由于引入了溫度、壓力信號的補償.ZNGB渦街流量計的測量精度大為提高.因此,這種帶有HART協議的溫壓補償型ZNGB渦街流量計在國內必將具有良好的發展前景. 推薦產品.電磁流量計,壓力變送器,孔板流量計,V錐型流量計,超聲波流量計,渦街流量計,渦輪流量計,熱電偶.