德E+H渦街流量計的設(shè)計與實現(xiàn)，E+H渦街流量計/39529839/39529830：單榮兵
在石油化工過程的自動檢測和控制中，為了有效地操作、控制和監(jiān)測，需要檢測各種流體的流量。渦街流量計在管道內(nèi)無可動部件，具有壓力損失小、運行可靠、維護簡單、測量等［1］。HART協(xié)議智能渦街流量計在輸出（4～20）mA模擬信號上疊加數(shù)字信號進行雙向通信［2］，可傳送被測變量、儀表設(shè)置參數(shù)等多種信息，通過HART手操器可對現(xiàn)場儀表測量范圍、阻尼常數(shù)等進行遠程監(jiān)控和設(shè)置，并能對渦街流量計故障進行自診斷。
針對渦街傳感器在流量較低時存在較大非線性特性問題，微處理器根據(jù)其輸出特性曲線進行非線性校正，擴展了流量計的測量下限，從而提了渦街流量計的量程比。
1 系統(tǒng)工作原理與總體設(shè)計
1.1 工作原理
渦街傳感器信號輸出電極上產(chǎn)生的感應電動勢是一個交替變化的信號，它的變化頻率即為漩渦的分離頻率，根據(jù)卡門渦街理論，在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，漩渦分離頻率f與流體流量u有確定的關(guān)系：
式中：d為漩渦發(fā)生體的特征尺寸；St為斯特羅哈爾數(shù)。St與漩渦發(fā)生體寬度d及雷諾數(shù)Re有關(guān)，當Re在2×104～7×106的范圍內(nèi)，St基本保持不變。
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式（1）表明，當d與St為定值時，漩渦產(chǎn)生的頻率f與流體的平均流速u成正比，渦街流量計就是根據(jù)上述原理進行流量測量的。由于渦街傳感器所測的并不是平均流速，而大約是漩渦發(fā)生體兩側(cè)的流速。不同的雷諾數(shù)下，流速分布規(guī)律是不同的，即不同的流速下具有不同的流速分布，進而說明渦街流量傳感器檢測到的主要反映漩渦發(fā)生體兩側(cè)的流速與管道平均流速的關(guān)系不是*確定的。這說明渦街流量傳感器的非線性誤差是由其檢測機理所決定的［3］。在實際使用時，測出傳感器的儀表系數(shù)k與頻率f的試驗曲線F（f）：
式中：G（f）為同一口徑的渦街傳感器具有的相同特性曲線，對該曲線進行分段線性處理，固化在流量計的存儲器中；K為平均儀表系數(shù)，可以根據(jù)實際現(xiàn)場工況，通過鍵盤輸入K值，從而實現(xiàn)渦街傳感器的非線性修正。
1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計分析
系統(tǒng)主要由如下模塊組成：渦街傳感器信號調(diào)理模塊，人機交互模塊，HART通信模塊以及電源與掉電檢測模塊，系統(tǒng)框圖如圖1所示。
渦街傳感器信號調(diào)理模塊是將傳感器輸出的微弱信號進行濾波與放大，再經(jīng)施密特觸發(fā)電路進行整形，轉(zhuǎn)換為MCU可以測量的方波信號。
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人機交互模塊主要由液晶顯示屏和鍵盤組成，主要用于渦街流量計菜單設(shè)置，完成本地參數(shù)的設(shè)置和修改，并在測量狀態(tài)下將瞬時流量和累積流量實時顯示出來。
HART通信模塊一方面將MCU輸出的數(shù)字量，經(jīng)D/A與V/I轉(zhuǎn)換得到對應的（4～20）mA電流；另一方面HART調(diào)制解調(diào)器將疊加在電流環(huán)路上的FSK數(shù)字信號解調(diào)后，再經(jīng)過通用串行接口送入MCU，并將MCU發(fā)送的應答幀調(diào)制成FSK數(shù)字信號，疊加在（4～20）mA電流信號上發(fā)送出去［4］。
電源模塊將儀表安裝現(xiàn)場提供的24V直流電壓轉(zhuǎn)換為合適的電壓提供給其他電路模塊。掉電檢測模塊能對外部電源電壓進行監(jiān)測，在系統(tǒng)掉電瞬間產(chǎn)生中斷，MCU在中斷程序中將累積流量等重要數(shù)據(jù)存儲到非易失性存儲器中。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
系統(tǒng)采用16位嵌入式微處理器MSP430F147為控制核心，MSP430F147是TI公司面向低功耗儀表域推出的16位微處理器，工作電壓范圍為1.8～3.6V［5］，微處理器內(nèi)部具有定時器、內(nèi)部用戶可編程Flash存儲器以及UART通用串行接口等進外設(shè)，提了系統(tǒng)的集成度與可靠性。
2.1 信號調(diào)理模塊設(shè)計
渦街傳感器輸出信號頻率f（漩渦的分離頻率）變化范圍為（5～600）Hz，感應信號幅度Z低達0.2mV左右。
信號調(diào)理模塊結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，傳感器輸出的微弱信號經(jīng)前置放大電路、二階低通濾波電路、后置限幅放大電路、施密特整形電路轉(zhuǎn)換為微處理器可以識別的TTL方波信號，送入MSP430F147的定時器捕捉端口進行頻率測量。
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2.2 掉電檢測模塊設(shè)計
電源掉電模塊設(shè)計采用MAXIM公司的電壓比較器MAX9017，該芯片自帶1．236V電壓基準，電源電壓經(jīng)電阻分壓后與基準電壓比較，實現(xiàn)電源電壓的監(jiān)控。當電源電壓低于一定值時，電壓比較器產(chǎn)生跳變觸發(fā)中斷，在中斷程序中，微處理器完成對累積流量等重要數(shù)據(jù)的保存。MSP430F147內(nèi)部集成了256Byte用戶可編程Flash存儲器，從而省去了對外圍存儲芯片的需要。
2.3 HART通信模塊設(shè)計
HART通信模塊由MSP430F147微處理器、HART調(diào)制解調(diào)芯片A5191HRT和電流環(huán)產(chǎn)生電路組成。
A5191HRT是AMISemiconductor公司推出的單片HART調(diào)制解調(diào)器，采用相位連續(xù)的FSK半雙工工作方式，數(shù)據(jù)率為1200b/s。A5191HRT內(nèi)部集成了符合Bell202標準的調(diào)制器、解調(diào)器、接收濾波器、發(fā)送信號整形電路、載波檢測等電路［6］，所以只要使用較少的外部無源元件就能夠構(gòu)建滿足HART協(xié)議物理層要求的電路。
HART通信模塊電路，A5191HRT與MSP430F147通用串行接口信號包括經(jīng)光電隔離后的載波監(jiān)測OCD、HART的解調(diào)輸出ORXD、來自UART的HART調(diào)制輸入ITXD和請求發(fā)送IN-RTS。
電流環(huán)產(chǎn)生電路采用V/I轉(zhuǎn)換電路，輸入電壓范圍為（0～2.5）V，采樣電阻選用阻值為120Ω的精密金屬膜電阻，當輸入電壓為2．4V時，輸出電流為20mA。電流產(chǎn)生電路中的1N4148二極管作用是在電流環(huán)輸出開路時，采樣電阻過的電流由運放輸出端提供，從而避免運放工作在飽和狀態(tài)。圖3中I＋與I－分別為（4～20）mA電流環(huán)路兩輸出端口。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件主要由五部分組成：①測頻子程序，負責傳感器信號頻率的測量；②定時器“心跳”程序，實現(xiàn)非線性校正、累積計算和輸出顯示；③HART通信子程序，當檢測到HART通信載波信號時，進入中斷子程序，進行信號的接收、識別和響應；④掉電保護子程序；⑤菜單設(shè)置程序，當有按鍵按下時，可以對流量計進行本地參數(shù)設(shè)置和修改。
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