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2023-01-18 12:23:37 化工仪表    橱柜    

基于HART协议的智能涡街流量计的开发

1 引 言 智能变送器自80年代初问世以来,由于它具有上位机(或手操器)的通讯功能,省去了A/D转换环节,避免了模/数转换误差,节省了大量电缆。通过上位机(或保险丝手操器)可远程设定、修改变送器的零点、量程,以及完成自诊断功能等,大大方便了变送器的组态和维护,同时数字通信延伸到现场级仪表,给控制系统体系结构带来了一次变革。 智能变送器的核心技术之一是现场总线技术,其中美国Rosemount公司于80年代中期推出的HART协议现场总线标准具有兼容4~20 mA模拟信号与数字通信的性质,符合HART协议的智能变送器可以和4~20 mA模拟变送器混合使用的要求,因而比较适合目前国内工业生产还在大量使用4~20 mA模拟变送器的实际情况。经过10年的发展,HART协议已成为智能仪表事实上的工业标准,世界上有70多家公司采纳了这一协议,其中包括美国的Foxboro、ABB、Smar、Honeywell公司、德国的E+H公司等。 智能变送器内部装有微处理器,因而不要在其中安装其他的利用软件它具有较强的计算功能,同时现场总线技术协议使其具有双向数字通讯能力,从而大大提高了变送器的技术性能及其使用的方便性。目前,国内智能变送器技术尚在开发中,本文介绍的是长沙矿山研究院承担的国家“863”项目——基于现场总线的智能涡街流量计设计。2 涡街流量传感器工作原理 当流体进入柱状体时,其柱状体的两侧将交替产生有规则的旋涡列(见图1),称谓“卡门涡街现象”。卡门涡街的频率与流速成正比,可用下式表示,通过测量涡街频率就可以得出流速v,从而算出流量Q:图1 卡门涡街式中:f——旋涡频率; v——管内平均流速; d——柱状体迎流面宽度; D——管道内径; St——斯特罗哈数,在雷诺数104~106范围内是一个无量钢常数。 当旋涡在柱体两侧产生时,柱体受到与流向垂直的交变升力的作用,升力的变化频率就是旋涡频率。利用埋设于柱体内的压电元件检测升力的变化,将升力变化转换为电荷信号,送入放大器,由放大器进行放大和整形,得到其频率与流速成正比的脉冲信号。3音乐IC HART协议简介 HART协议(Highway Addressable Remote Transducer)是美国Rosemount公司于1986年提出的通讯协议。它是用于现场智能仪表和控制室设备通讯的一种协议。HART通讯协议是参照国际标准化组织(IOS)的分散机“开放性系统互连结(OSI)的模型标准并简化引用其中3层而制定的,即物理层、数据链路层和应用层。 另外(1) 物理层规定了HART通信的物理方式和传输介质。HART协议采用了美国通讯系统Bell202标准,在4~20 mA的模拟信号上叠加幅度为±0.5 mA的正弦调制波,1200 Hz代表逻辑“1”,2200 Hz代表逻辑“0”。因为所叠加的正弦信号平均值为0,所以数字通讯信号不会干扰4~20 mA的模拟信号。HART通讯可以有点对点和多站联接两种模式,传输介质一般为屏蔽双绞线,HART通讯速度为1200波特率。 (2) 数据链路层规定了数据格式,其可寻地址范围是0~15,当地址为0时,智能变送器处于4~20 mA与数字通讯兼容状态,当地址为1~15时,则处于全数字通讯状态,这时可联结成多站模式,并通过全数字通讯状况来寻找对话的变送器。变送器可以作为“从设备”来回答“主设备”的询问,也可处于“突发模式”,自动连续发送信息,后者速度较快,但仅用于点对点模式。 (3) 应用层规定了HART通讯命令的内容,共分为3类。第一类是通用命令,适用于所有符合HART协议的产品,如读制造厂号、产品型号、出厂编号等。第二类是普通应用命令,适用于大部分符合HART协议的产品,但不同公司的HART产品可能还略有区别,如写主变量单位、微调D/A的零点等。以上两大命令规定使符合HART通信协议的产品具有一从电子产品的外壳制造延伸到产品内部定的互换性。第三类是特殊命令,它是各公司自已所特有的,不互相兼容,如特征化,传感器校正等。4 基于HART协议的智能涡街流量计的硬件和软件设计4.1 硬件设计

HART智能涡街流量计硬件设计采用模块化设计方法,电路框图如图2所示。硬件电路由4个模块组成:传感器模块、CPU模块、HART通讯模块和电源模块。图2 智能涡气阀街流量计硬件框图 传感器模块是将压电传感器的交变电荷信

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