摘要:針對儀表(biao)使用現狀,介紹一(yi)種具有HART協議的智(zhi)能式電磁流量計(ji) 。設計了以HART通信模(mó)塊HT2012和AD7715、AD421爲主要芯片(piàn)的智能電磁流♍量(liang)計的接口⭐卡。
1電磁(ci)流量計
　　電磁流量(liang)計 的基本原理是(shì)法拉第電磁感應(yīng)定律，即導體在磁(ci)場中切割磁🏃🏻‍♂️力線(xian)運動時在其兩端(duān)産生感應電動勢(shì)。
E=KBDν
　　式中E:感應電動勢(shì),B:磁感應強度,D:管道(dào)直徑,ν:流體平均速(sù)度。流體的體積流(liu)量qv爲:
 
　　電磁流量計(ji)分爲流量傳感器(qi)和轉換器兩部分(fèn)。傳‼️感器包括😘測量(liang)管,激磁線圈,電極(jí)等,将流量信号轉(zhuan)換爲感應電勢,由(you)電極引出;轉換器(qì)将E轉換爲标準信(xin)号輸出，以便🔅進行(háng)計🈲數測量。
　　電磁流(liu)量計的測量優點(dian)很多，(1)它的測量管(guǎn)是光滑直管,不易(yi)🈲阻塞,适用于測量(liang)含有固體顆粒或(huo)纖維的液固兩相(xiàng)流體,如紙漿、煤水(shuǐ)漿、礦漿、泥漿和污(wu)水等;(2)它的壓力損(sun)☁️失小,且前置直管(guǎn)段要💁求較低;(3)輸出(chū)線性，且其🔅體積流(liú)量不受流體密度(du)、粘度、溫度、壓.力和(hé)導電率變📱化的影(ying)響,抗幹擾能力強(qiáng);(4)測量範圍大,量程(cheng)比大,通♋常可達20:1~50:1;(5)測(ce)量口徑✂️範圍寬,從(cong)幾mm到3m,可測正反雙(shuāng)向流量,也可測脈(mò)✌️動流量。但它不能(neng)測電導率低的液(yè)體,不能測氣體、蒸(zhēng)汽和含有較多較(jiào)大氣泡的液體的(de)流量,如石油制品(pin),有機溶劑等。
　　智能(neng)化的電磁流量計(jì)是數字信号和模(mo)拟信号混合的變(biàn)送器,在普通電磁(ci)流量計的基礎上(shang)結合HART通信協議,可(ke)以實✊現流量儀表(biǎo)智能化,适應現場(chang)總線控制系統的(de)要求。
2HART協議
　　HART(HighAddressableRenoteTransducer可尋址(zhǐ)遠程傳感器高速(su)通道)通信協議是(shì)一種過渡性協議(yi),它參照“ISO/OSI”的模型标(biāo)準,簡化并引用其(qí)中三層,即物理層(céng),數💚據鏈路層和應(yīng)用層制定而成;采(cǎi)用FSK(頻移鍵控)技術(shu)👌,在一條💋電纜線上(shàng)同時傳輸4~20mADC的模拟(nǐ)信号和數字信号(hao),使模拟信号和數(shù)字雙向通訊能⭐同(tóng)時進行,互🌈不幹擾(rao)。如圖1,在4~20mADC基礎_上疊(die)加幅度爲±0.5mA的不同(tóng)頻率的正弦調制(zhi)波作爲數字信号(hào),1200Hz頻率代表邏輯“1”，2200Hz代(dai)表♊邏輯“0”。其傳送速(sù)率爲1200bit/S。
 
　　HART通信可以有(you)點對點或多點連(lian)接模式。傳輸介質(zhì)一般💛爲雙纜線;當(dāng)傳輸線路較長時(shí),可用屏蔽雙絞線(xiàn)。HT2012是專✔️門爲HART産品而(ér)設計生🈚産的，具有(you)價格便宜、功耗低(di)的特點。它包括調(diào)制器、解調器、載波(bō)🔅監測電路和時基(jī)電路㊙️,如圖2。時基電(dian)路外接.460.8kH的振蕩頻(pín)率信号,調📧制器将(jiāng)由IIXD引腳輸入的數(shù)字信号調制成FSK信(xìn)号，從OXTA端🔴輸出;解調(diào)器将從RXA引腳輸入(ru)的FSK信号解調成數(shu)字信👌号，由ORXD端輸💃出(chu)。調制器和解調器(qi)的工💚作受NRTS端輸入(ru)電平的控制，NRTS端子(zi)與CPU的㊙️I/O口相連,可以(yǐ)由CPU來控制調制器(qì)和解調器的工作(zuò)狀态，其通信爲半(bàn)雙工方式。當NRTS輸入(rù)爲低電平“0”時,調👅制(zhì)器工㊙️作,解調器輸(shū)出❄️不定;當NRTS端輸入(ru)爲高電平“1”時,解調(diào)器工作,調制器呈(chéng)高阻狀态🔴。
 
　　HART協議通(tong)信電路由CPU、數模轉(zhuan)換器AD421、HART通信模塊HT2012、波(bō)形整形電路和帶(dai)通濾波器組成。CPU輸(shu)出的與被測參數(shu)成比例的數字信(xìn)号，經AD421轉換爲4~20mA電流(liú)輸出。同時,需進行(háng)數字通信的二進(jin)制數字信号由♊串(chuàn)行口發送端RX輸出(chū)至HT2012調制爲FSK信号,再(zài)經波形整形電路(lu)送至AD421,疊加到4~20mA直👅流(liú)信号上。
3AD7715和AD421
　　AD7715是一種(zhǒng)帶有模拟前置放(fang)大器的A/D轉換芯片(pian)，是一種用于✔️低頻(pín)測量的芯片,它可(kě)直接接受電磁流(liu)量計的直🆚流低♻️電(diàn)平輸入信号💚并輸(shū)出串行數字信号(hào)。該芯片采用2A轉換(huàn)技術,具有16位的精(jīng)度高模數轉換特(tè)✨性,有良好的抗幹(gàn)擾性，有自校準和(hé)系統校準的功💘能(neng),可以消除零點誤(wù)差,滿量程誤差和(he)溫度漂移的影響(xiang)。AD7715的模拟🌈輸入爲差(cha)動方式,有單極性(xìng)和雙極性輸入,信(xìn)号♋範圍可選。前置(zhì)放大器有1、2、32、128四種增(zēng)益可選,有4個片内(nei)寄存器，對它的編(biān)程可以實🧑🏾‍🤝‍🧑🏼現增益(yì)選擇、信号極性、輸(shū)出數據速❄️率、自動(dong)校準和AD轉換等功(gong)能🔴。這裏用AD7715作爲模(mo)數🐆轉換芯片。
　　AD421是一(yī)種16位串行輸入、4~20mADC電(dian)流輸出的數模轉(zhuǎn)換器,非線形誤差(chà)小于±0.01%。主要由數模(mo)轉換器,電流轉換(huan)器和電流調整器(qì)組成。AD421的電流輸出(chu)有正常和報警兩(liang)種模式。正常模式(shì)對應4~20mADC輸出,報警模(mó)式輸出電流擴展(zhan)爲3.5~20mADC。電壓調整🈲器由(yóu)運放能隙基準和(hé)外接耗盡型場效(xiao)應管構成。電壓調(diào)整器從電流回路(lù)中獲取電流，,并給(gěi)AD421及其他器件提供(gòng)工作電流。在此設(she)計中,選擇AD421作爲數(shu)模轉換芯片,它可(ke)以👄爲其他芯片提(tí)供工作電壓👨‍❤️‍👨，還可(ke)以将CPU輸入的⭕數字(zì)信号轉換爲4~20mADC電流(liu)輸出，并将數字信(xin)👉号疊加在4~20mADC電流上(shang)一🔆起輸出。
4智能式(shì)電磁流量計
 
　　圖3爲(wèi)采用HART通信技術的(de)智能式電磁流量(liàng)計的原理框圖,整(zheng)個系統由電磁流(liu)量計、CPU、AD7715、AD421和HT2012通信部分(fen)組成。CPU采用MCS-51微處理(lǐ)🤞器。流量信号g.經電(diàn)磁流量計轉換後(hòu),輸出的0~5V電壓信号(hào)加🔅在AD7715的輸入端上(shàng)✉️,經過AD7715轉換爲數字(zi)信号實現A/D采樣;AD7715采(cai)用三線串行口與(yu)CPU相連。HART通信部分由(yóu)HT2012、帶通濾波器㊙️和輸(shū)出波形整形電路(lù)等組成。AD421及電壓🏃🏻‍♂️調(diào)整電路,将CPU輸出的(de)數字信号轉換爲(wei)4~20mADC電流信号,作爲整(zheng)機輸出，實現✊D/A轉換(huan)。另外,由HART通信模塊(kuài)輸出的經過整形(xing)後的FSK信号,也❓經AD421-起(qǐ)疊加輸出，實現數(shu)字信号和模拟信(xìn)号同時輸出。AD421自帶(dai)的電壓調整電路(lu)可将🏃‍♀️變送器的24V供(gòng)電電🌈壓轉換成穩(wen)定的5V電壓，給CPU、A/D.D/A等芯(xīn)片供電。系統還配(pèi)備了WDT監控電路，和(he)電磁流量計的勵(lì)磁電路。
　　該系統的(de)軟件有測控程序(xù)和通信程序。測控(kong)程序包括A/ID采樣🌏程(cheng)序、量程轉換程序(xu)、非線性補償程序(xù)、D/A轉換程序等;通信(xìn)程序包括實現HART協(xié)議數據鏈路層和(he)應用層♈的軟件。

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