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关于HART协议智能电磁流量传感器的总体结构设计
发布日期:2017-5-15 14:32:52
关于HART协议智能电磁流量传感器的总体结构设计方案
关于HART协议智能电磁流量传感器的总体结构设计方案:
   电磁流量计因其结构简单、无活动部件和阻碍被测介质流动的扰动件或节流件而在工业生产等领域获得广泛应用。虽然我国己在电磁流量计开发方面取得了一定成绩,但是由于国产的流量检测仪表在系统设计上存在较多信息转换环节,且多数缺少小信号切除、非线形补偿以及数字滤波等高级信号处理能力,影响系统的检测精度和抗干扰能力; 另外,网络通讯接口一般只配置RS一232或RS一485串行接口,组网和通讯能力差。现场总线控制系统代表了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向。为了构建现场总线型工业测控系统,要求系统中所有仪表都应具有现场总线功能。在模拟系统向数字系统转变过程中,HART协议是唯一向后兼容的智能仪表解决方案,在具有现场总线一系列优点的同时,保留了对现有4~20mh系统的兼容性。因此,采用HART总线技术研制总线型电磁流量仪表是我国提升工业自动化仪表及其主控系统技术水平的关键问题之一。为此,本文在对电磁流量计关键技术进行分析、研究、比较和论证的基础上,提出了基于HART协议智能电磁流量变送器的总体结构设计方案。主要研究内容如下:
    论文对HART协议作了较全面的分析。HART协议采用ISO/OSI简化模型,其中物理层规定了信号的传输方式以及信号电平等内容。数据链路层规定了设备类型以及数据传输帧格式。命令层规定了HART协议的各种命令及响应码。基于HART协议的智能电磁流量计的通信功能就是基于HART的各种规范实现的。
hart电磁流量计
   在硬件电路中着重对系统的采集放大电路、励磁发生电路、模数转换电路、通信接口电路和系统抗干扰电路等进行设计和分析。采用ADI公司推出的高性能同步V/F转换器AD652,对传感器电压信号进行采集和转换,提高了系统检测精度。同时,采用低功耗CMO$芯片P89C51RD2FN和X25045集成芯片构成单片机系统,具备掉电保护、自诊断等功能,输入输出电路采用电隔离和过流保护措施,不仅简化了硬件设计,而且提高了系统的可靠性及抗干扰能力。在HART通信电路中,采用SMAR公司的HART信号调制解调专用芯片HT2012,在不干扰4~20mh模拟信号的同时,实现双向数字通讯功能。实现了仪表的智能化和总线化。
   系统软件采用MCS一51单片机汇编语言,采用模块化程序设计方法,将一个程序化分成若干小的模块,不同模块完成不同功能,各模块间保持相对的独立性。其中包括初始化子程序、仪表监控主程序、AD采样子程序、HART通讯子程序。软件采用中断处理机制,并且采用软件陷阱、指令冗余和看门狗技术等处理手段,提高系统的抗干扰性能。通过上位机串口配备的符合Bell202通讯标准的调制解调器,连接于仪表的标准采样电阻两端,可实现上位机与流量计之间的}{ART通讯。实验表明,该仪表符合HART协议各种规范,能够对上位机发送的命令帧作出相应的响应,实现了HART总线通讯功能。采用标准表法进行的对比试验表明,该仪表能够满足对前端传感器输出电压信号的测量,体积流量测量精度达到要求,可以同时显示瞬时流速和J下反双向累积流量,并具备多种报警输出、脉宽可调和励磁频率可调等功能,基本实现了智能电磁流量计变送器性能和功能的要求。
 
 
   综合以上两种实验方法可知,抑制极化电压的实验思路可以行得通,如果对极化电压能实时跟踪反馈,以实现对不同大小的极化电压反馈不相等的控制量。那么对极化电压的控制更有针对性。在反馈系统稳定的基础上,如果极化电压能够稳定控制在和感应电动势同样甚至更小的数量级范围内时,那么有望较好地从极化电压中提取出反应流速的感应电动势。
   借鉴差分对比消除极化和继电器电容反馈抑制极化两个实验的思想,继续改进继电器电容反馈的设计方案。既然利用电容的充电和放电现象可以控制极化电压到一个较小的范围,那么引入一个记录极化电压的机制,并将其极性取反,然后反馈给提取信号的测量电极,也即借鉴自动控制原理的负反馈思想,记录极化电压的机制相当于每次都提供一个设定值,而电极上测量的信号作为实际值,两者进行比较,然后对其偏差信号进行控制,最终的目的就是尽量将该偏差控制到零,从而控制极化电压。H反馈动态控制极化原理图
   因为在每个周期的控制作用下,极化电压是逐步变化的,所以,记录极化电压的机制应该能自动地根据极化电压的大小提供一个设定值,以达到动态反馈跟踪的目的,而不是提供一个始终固定不变的数值。
   动态反馈控制极化的工作原理如2-6所示:先对传感器采集的信号进行适当的调理,然后判断极化电压的大小和方向,每个控制时序内,都要根据极化电压的幅值和极性采取相应的反馈量,最终将该极化电压抑制到重复稳定的数值,消除其对感应电动势的影响,并让反应流速的感应电动势得到体现。(a)静态无流速输出信号(b)流速较小时输出信号(c)流速较大时输出信号图2.7动态反馈控制极化电压法的测量结果对比经过多次实验,测量不同流速下的信号如图2.7的(a)、(b)和(c)所示, 图中靠上的直流电压为反应流速的信号,图(a)为静态无流速的信号,图(b) 为流速较小时的信号,图(c)为流速较大时的信号。
    从实验结果可以初步看出,初始静态零点完全在100mV以内,流速变化通过直流电压的形式反映出来,直流电压信号幅值随着流速的增大而增大,其变化范围可以达到lOOmV,粗略定性地反应流速变化的效果非常明显。


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