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              金湖多特自動化儀表有限公司
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              關于HART協議智能電磁流量傳感器的總體結構設計
              發布日期:2017-5-15 14:32:52
              關于HART協議智能電磁流量傳感器的總體結構設計方案
              關于HART協議智能電磁流量傳感器的總體結構設計方案:
                 電磁流量計因其結構簡單、無活動部件和阻礙被測介質流動的擾動件或節流件而在工業生產等領域獲得廣泛應用。雖然我國己在電磁流量計開發方面取得了一定成績,但是由于國產的流量檢測儀表在系統設計上存在較多信息轉換環節,且多數缺少小信號切除、非線形補償以及數字濾波等高級信號處理能力,影響系統的檢測精度和抗干擾能力; 另外,網絡通訊接口一般只配置RS一232或RS一485串行接口,組網和通訊能力差?,F場總線控制系統代表了工業控制系統向分散化、網絡化、智能化發展的方向。為了構建現場總線型工業測控系統,要求系統中所有儀表都應具有現場總線功能。在模擬系統向數字系統轉變過程中,HART協議是唯一向后兼容的智能儀表解決方案,在具有現場總線一系列優點的同時,保留了對現有4~20mh系統的兼容性。因此,采用HART總線技術研制總線型電磁流量儀表是我國提升工業自動化儀表及其主控系統技術水平的關鍵問題之一。為此,本文在對電磁流量計關鍵技術進行分析、研究、比較和論證的基礎上,提出了基于HART協議智能電磁流量變送器的總體結構設計方案。主要研究內容如下:
                  論文對HART協議作了較全面的分析。HART協議采用ISO/OSI簡化模型,其中物理層規定了信號的傳輸方式以及信號電平等內容。數據鏈路層規定了設備類型以及數據傳輸幀格式。命令層規定了HART協議的各種命令及響應碼?;贖ART協議的智能電磁流量計的通信功能就是基于HART的各種規范實現的。
              hart電磁流量計
                 在硬件電路中著重對系統的采集放大電路、勵磁發生電路、模數轉換電路、通信接口電路和系統抗干擾電路等進行設計和分析。采用ADI公司推出的高性能同步V/F轉換器AD652,對傳感器電壓信號進行采集和轉換,提高了系統檢測精度。同時,采用低功耗CMO$芯片P89C51RD2FN和X25045集成芯片構成單片機系統,具備掉電保護、自診斷等功能,輸入輸出電路采用電隔離和過流保護措施,不僅簡化了硬件設計,而且提高了系統的可靠性及抗干擾能力。在HART通信電路中,采用SMAR公司的HART信號調制解調專用芯片HT2012,在不干擾4~20mh模擬信號的同時,實現雙向數字通訊功能。實現了儀表的智能化和總線化。
                 系統軟件采用MCS一51單片機匯編語言,采用模塊化程序設計方法,將一個程序化分成若干小的模塊,不同模塊完成不同功能,各模塊間保持相對的獨立性。其中包括初始化子程序、儀表監控主程序、AD采樣子程序、HART通訊子程序。軟件采用中斷處理機制,并且采用軟件陷阱、指令冗余和看門狗技術等處理手段,提高系統的抗干擾性能。通過上位機串口配備的符合Bell202通訊標準的調制解調器,連接于儀表的標準采樣電阻兩端,可實現上位機與流量計之間的}{ART通訊。實驗表明,該儀表符合HART協議各種規范,能夠對上位機發送的命令幀作出相應的響應,實現了HART總線通訊功能。采用標準表法進行的對比試驗表明,該儀表能夠滿足對前端傳感器輸出電壓信號的測量,體積流量測量精度達到要求,可以同時顯示瞬時流速和J下反雙向累積流量,并具備多種報警輸出、脈寬可調和勵磁頻率可調等功能,基本實現了智能電磁流量計變送器性能和功能的要求。
               
               
                 綜合以上兩種實驗方法可知,抑制極化電壓的實驗思路可以行得通,如果對極化電壓能實時跟蹤反饋,以實現對不同大小的極化電壓反饋不相等的控制量。那么對極化電壓的控制更有針對性。在反饋系統穩定的基礎上,如果極化電壓能夠穩定控制在和感應電動勢同樣甚至更小的數量級范圍內時,那么有望較好地從極化電壓中提取出反應流速的感應電動勢。
                 借鑒差分對比消除極化和繼電器電容反饋抑制極化兩個實驗的思想,繼續改進繼電器電容反饋的設計方案。既然利用電容的充電和放電現象可以控制極化電壓到一個較小的范圍,那么引入一個記錄極化電壓的機制,并將其極性取反,然后反饋給提取信號的測量電極,也即借鑒自動控制原理的負反饋思想,記錄極化電壓的機制相當于每次都提供一個設定值,而電極上測量的信號作為實際值,兩者進行比較,然后對其偏差信號進行控制,最終的目的就是盡量將該偏差控制到零,從而控制極化電壓。H反饋動態控制極化原理圖
                 因為在每個周期的控制作用下,極化電壓是逐步變化的,所以,記錄極化電壓的機制應該能自動地根據極化電壓的大小提供一個設定值,以達到動態反饋跟蹤的目的,而不是提供一個始終固定不變的數值。
                 動態反饋控制極化的工作原理如2-6所示:先對傳感器采集的信號進行適當的調理,然后判斷極化電壓的大小和方向,每個控制時序內,都要根據極化電壓的幅值和極性采取相應的反饋量,最終將該極化電壓抑制到重復穩定的數值,消除其對感應電動勢的影響,并讓反應流速的感應電動勢得到體現。(a)靜態無流速輸出信號(b)流速較小時輸出信號(c)流速較大時輸出信號圖2.7動態反饋控制極化電壓法的測量結果對比經過多次實驗,測量不同流速下的信號如圖2.7的(a)、(b)和(c)所示, 圖中靠上的直流電壓為反應流速的信號,圖(a)為靜態無流速的信號,圖(b) 為流速較小時的信號,圖(c)為流速較大時的信號。
                  從實驗結果可以初步看出,初始靜態零點完全在100mV以內,流速變化通過直流電壓的形式反映出來,直流電壓信號幅值隨著流速的增大而增大,其變化范圍可以達到lOOmV,粗略定性地反應流速變化的效果非常明顯。


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