摘要:針對儀表(biǎo)使用現狀,介紹(shào)一種具有HART協議(yì)的智能式電磁(ci)流量計 。設計了(le)以HART通信模塊HT2012和(hé)AD7715、AD421爲主要芯片的(de)智能電磁流量(liàng)計👉的接口卡。
1電(diàn)磁流量計
　　電磁(cí)流量計 的基本(ben)原理是法拉第(dì)電磁感應定律(lǜ)，即導體在磁場(chǎng)中切割磁力線(xiàn)運動時在其兩(liang)端産生感應電(diàn)動勢。
E=KBDν
　　式中E:感應(yīng)電動勢,B:磁感應(yīng)強度,D:管道直徑(jing),ν:流體平均速度(du)。流體的體積流(liú)量qv爲:
 
　　電磁流量(liàng)計分爲流量傳(chuán)感器和轉換器(qì)兩部分。傳感器(qì)包🧡括測量管,激(ji)磁線圈,電極等(deng),将流量信号轉(zhuan)換爲⁉️感應電勢(shi),由電極引出;轉(zhuǎn)換器将E轉換爲(wei)标準信号輸出(chu)，以便進行計數(shu)測量💁。
　　電磁流量(liàng)計的測量優點(dian)很多，(1)它的測量(liàng)管是光滑直管(guan)🧡,不易阻塞,适用(yong)于測量含有固(gu)體顆粒或纖維(wei)的液㊙️固兩相流(liú)體,如紙漿、煤水(shuǐ)漿、礦漿、泥漿和(he)污水等;(2)它的壓(yā)力損失小,且前(qian)置直管段要求(qiú)較低;(3)輸出線性(xing)，且其體積流量(liàng)不受流體密度(dù)、粘度、溫度、壓.力(lì)和導電率變化(huà)的影響,抗幹擾(rǎo)能力強;(4)測量範(fan)圍大🔞,量程比大(dà),通常可達20:1~50:1;(5)測量(liàng)口徑範圍寬,從(cóng)幾mm到3m,可測正反(fǎn)雙向流量,也可(kě)測脈動流量。但(dàn)🤟它不能測電導(dao)💋率低的液體,不(bú)能測氣體、蒸汽(qì)和含有較多較(jiao)大氣泡的液體(ti)的流量,如石油(you)制品,有機溶劑(ji)等。
　　智能化的電(dian)磁流量計是數(shu)字信号和模拟(ni)信号混合的⛷️變(biàn)送器,在普通電(dian)磁流量計的基(jī)礎上結合HART通信(xìn)協議,可以實現(xian)流量儀🚩表智能(néng)化,适應現場總(zǒng)線控制系統的(de)要⁉️求。
2HART協議
　　HART(HighAddressableRenoteTransducer可尋(xun)址遠程傳感器(qì)高速通道)通信(xìn)協議是一種過(guo)渡性協議,它參(can)照“ISO/OSI”的模型标準(zhǔn),簡化并引用其(qí)中三層,即✏️物理(li)層,數據鏈路層(ceng)和應用層制定(dìng)而成;采用FSK(頻移(yí)鍵控)技術,在一(yī)條電纜線上同(tong)時傳輸4~20mADC的模拟(nǐ)信号和數字信(xìn)号,使模拟信号(hào)和數字雙向通(tong)訊能同時進行(háng),互🍓不幹擾。如圖(tú)1,在4~20mADC基礎_上疊加(jiā)幅度爲±0.5mA的🌍不同(tóng)頻率的正⛱️弦調(diao)制波作爲數字(zì)信号,1200Hz頻率代表(biao)邏輯“1”，2200Hz代表⛷️邏輯(ji)“0”。其傳送速率爲(wei)1200bit/S。
 
　　HART通信可以有點(diǎn)對點或多點連(lian)接模式。傳輸介(jiè)質一般爲雙💃纜(lǎn)線;當傳輸線路(lu)較長時,可用屏(píng)蔽雙絞線。HT2012是專(zhuan)門爲HART産品而設(shè)計生産的，具有(you)價格便宜、功耗(hào)低的特點。它包(bao)括調制器、解調(diào)器、載波監測電(diàn)路和時基電路(lù),如圖2。時基電路(lù)外接.460.8kH的振蕩頻(pín)⭕率信号,調制器(qi)将由IIXD引腳輸入(ru)的數字信号調(diao)制成FSK信号，從OXTA端(duān)輸出;解調器将(jiang)從RXA引腳輸入的(de)FSK信号解調成數(shu)字信号，由ORXD端輸(shū)出。調制器和解(jie)☔調器的工🔴作受(shòu)NRTS端輸入電平的(de)控制，NRTS端子與CPU的(de)❌I/O口相連,可以由(you)CPU來控制調制器(qì)🥵和解調器的工(gong)作狀态，其通信(xìn)爲半雙工方式(shì)。當NRTS輸🧑🏾‍🤝‍🧑🏼入爲低電(dian)平“0”時,調制器工(gōng)作,解調器輸出(chu)🌐不定;當NRTS端🌂輸入(ru)爲高電平“1”時,解(jie)調器工作,調制(zhi)器呈高阻狀态(tài)✍️。
 
　　HART協議通信電路(lu)由CPU、數模轉換器(qì)AD421、HART通信模塊HT2012、波形(xíng)整形電路🏃和帶(dai)通濾波器組成(chéng)。CPU輸出的與被測(ce)參數成比例的(de)數字信号，經AD421轉(zhuǎn)換爲4~20mA電流輸出(chū)。同時,需進行數(shù)🈲字通信的二進(jin)制數字信号由(you)✌️串行口☁️發送端(duān)RX輸出至HT2012調制爲(wèi)FSK信号,再經波形(xing)整形電路送至(zhì)AD421,疊加到4~20mA直🔴流信(xìn)号上。
3AD7715和AD421
　　AD7715是一種(zhong)帶有模拟前置(zhì)放大器的A/D轉換(huan)芯片，是一種用(yòng)于低頻😘測🔱量的(de)芯片,它可直接(jiē)接受電磁流量(liang)計的直流低電(dian)平輸入信号并(bing)輸出串行數字(zì)信号。該芯片采(cai)用2A轉換技術,具(ju)有16位的🏃‍♀️精度高(gāo)模數轉換特性(xing),有良好的抗幹(gàn)擾性，有自校準(zhun)和系統校準的(de)功能,可以消除(chú)💋零點誤差,滿量(liang)程誤差和溫度(du)漂移的影響。AD7715的(de)模拟輸💘入爲差(cha)動方式,有單極(jí)性和雙極性輸(shu)入,信号🈲範圍可(kě)選。前置放大器(qi)有1、2、32、128四種增益可(ke)選,有4個片内寄(ji)存器，對它的編(bian)程可以實現增(zeng)益選擇、信号極(ji)性、輸出數據速(sù)率、自動校準和(hé)AD轉換等🛀🏻功能🌈。這(zhe)裏用AD7715作爲模數(shu)轉換芯片。
　　AD421是一(yi)種16位串行輸入(ru)、4~20mADC電流輸出的數(shu)模轉換器,非線(xian)形誤差🤞小于👈±0.01%。主(zhǔ)要由數模轉換(huan)器,電流轉換器(qì)和電流調整器(qi)組成。AD421的電流輸(shū)出有正常和報(bao)警兩種模式。正(zhèng)常模式對應4~20mADC輸(shu)出,報警模式輸(shū)出電流擴展爲(wei)3.5~20mADC。電壓調整器由(you)運放🈲能隙基準(zhǔn)和外接耗盡型(xing)場效👉應管構成(chéng)。電壓調整器從(cong)電流回路中獲(huo)取電流，,并給AD421及(ji)其他器件提供(gòng)工作電流。在此(cǐ)設計中,選擇AD421作(zuò)爲數模轉換芯(xīn)片,它可以爲其(qí)他芯❌片提供工(gōng)作電壓，還可以(yǐ)将CPU輸入的數字(zì)信号轉換爲4~20mADC電(diàn)流輸出，并将數(shù)字信号疊加在(zài)4~20mADC電😍流上一🏒起輸(shu)出。
4智能式電磁(cí)流量計
 
　　圖3爲采(cǎi)用HART通信技術的(de)智能式電磁流(liu)量計的原理框(kuang)圖,整個系統由(you)電磁流量計、CPU、AD7715、AD421和(he)HT2012通信部分組成(chéng)。CPU采用MCS-51微處理器(qì)。流量信号g.經電(diàn)磁流量計轉換(huàn)後,輸出的0~5V電壓(yā)信号加在AD7715的輸(shū)入端上💔,經過AD7715轉(zhuǎn)換爲數字信号(hào)實現A/D采❗樣;AD7715采用(yong)三線串行口❤️與(yu)CPU相連。HART通信部分(fèn)由HT2012、帶通濾波器(qì)和輸出波形整(zhěng)形電路等組成(cheng)。AD421及電壓🍉調整電(diàn)路,将CPU輸出的數(shù)字信号☂️轉換爲(wèi)4~20mADC電流信号,作🏃🏻‍♂️爲(wèi)整機輸出，實現(xian)D/A轉換。另外,由HART通(tōng)信模塊輸出的(de)經👅過整形後的(de)FSK信号,也💋經AD421-起疊(dié)加輸出，實現數(shu)字信号和模拟(ni)信号同時輸出(chū)。AD421自帶的電壓調(diao)整電路可将變(biàn)送器的24V供電電(dian)壓轉換成穩定(ding)的5V電壓💃，給CPU、A/D.D/A等芯(xin)片🏃供電。系統還(hai)配備了WDT監控電(dian)💞路，和電磁流量(liang)計的勵❓磁電🌈路(lu)。
　　該系統的軟件(jian)有測控程序和(hé)通信程序。測控(kòng)程序包括A/ID采樣(yang)程序、量程轉換(huan)程序、非線性補(bǔ)償程序、D/A轉換程(chéng)序等;通信程序(xù)包括實現HART協議(yi)數據鏈路層和(hé)應用層的軟件(jiàn)。

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