在石油化工生產(chǎn)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(yùn)行可靠、維護(hù)簡單、測量精度高等優(yōu)點(diǎn)［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(jìn)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(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和設(shè)置，并能對渦街流量計故障進(jìn)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(jìn)行非線性校正，擴(kuò)展了流量計的測量下限，從而提高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(yīng)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：
（1）
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(dāng)Re在2×104～7×106的范圍內(nèi)，St基本保持不變。
式（1）表明，當(dāng)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(jìn)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(jìn)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)系不是唯一確定的。這說明渦街流量傳感器的非線性誤差是由其檢測機(jī)理所決定的［3］。在實(shí)際使用時，先測出傳感器的儀表系數(shù)k與頻率f的試驗(yàn)曲線F（f）：
（2）
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(jìn)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(shí)際現(xiàn)場工況，通過鍵盤輸入K值，從而實(shí)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(jī)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。
圖1 智能渦街流量計系統(tǒng)框圖
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(jìn)行濾波與放大，再經(jīng)施密特觸發(fā)電路進(jìn)行整形，轉(zhuǎn)換為MCU可以測量的方波信號。
人機(jī)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(shí)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(yīng)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(yīng)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(jìn)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領(lǐng)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通用串行接口等先進(jìn)外設(shè)，提高了系統(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(yīng)信號幅度最低達(dá)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(jìn)行頻率測量。
圖2 傳感器信號調(diào)理模塊結(jié)構(gòu)圖
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高精度電壓基準(zhǔn)，電源電壓經(jīng)電阻分壓后與高精度基準(zhǔn)電壓比較，實(shí)現(xiàn)電源電壓的監(jiān)控。當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)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通信模塊電路如圖3所示，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。
圖3 HART通信模塊電路圖
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(dāng)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，采樣電阻上流過的電流由運(yùn)放輸出端提供，從而避免運(yùn)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(fù)責(zé)傳感器信號頻率的測量；②定時器“心跳”程序，實(shí)現(xiàn)非線性校正、累積計算和輸出顯示；③HART通信子程序，當(dāng)檢測到HART通信載波信號時，進(jìn)入中斷子程序，進(jìn)行信號的接收、識別和響應(yīng)；④掉電保護(hù)子程序；⑤菜單設(shè)置程序，當(dāng)有按鍵按下時，可以對流量計進(jìn)行本地參數(shù)設(shè)置和修改。
系統(tǒng)上電復(fù)位后，MSP430F147首先完成各模塊初始化，之后進(jìn)入低功耗模式LPM3［7］。通過中斷喚醒MCU的方式執(zhí)行相應(yīng)功能模塊，中斷完成后恢復(fù)低功耗模式。系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。
圖4 軟件流程圖
3.1 非線性校正算法設(shè)計
采用分段直線方程的非線性校正方法，傳感器試驗(yàn)得出的特性曲線反應(yīng)的是傳感器輸出頻率與儀表系數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，對曲線進(jìn)行合適的分段，每一段曲線可以近似看成是一直線段，曲線分段后，各段端點(diǎn)對應(yīng)被測頻率信號分別為F0，F(xiàn)1，F(xiàn)2…Fm，傳感器對應(yīng)的儀表系數(shù)為K0，K1，K2…Km，其中F0、Fm分別對應(yīng)被測頻率最小值與最大值。顯然曲線上任一點(diǎn)可由分段直線段上的點(diǎn)近似表示，則有：
（3）
式（3）就是得到的兩點(diǎn)式分段直線校正方程。在系統(tǒng)上電初始化是先依次把校正方程參數(shù)（Fi，Ki）（其中i=1，2，3，…，m）讀入內(nèi)存，在非線性校準(zhǔn)時，先要判斷當(dāng)前測得頻率f位于哪一個直線段，再根據(jù)相應(yīng)的直線段校正參數(shù)，由校正方程求出相應(yīng)的儀表系數(shù)。渦街傳感器非線性校正與流量積算在定時器“心跳”斷程序中實(shí)現(xiàn)，具體算法軟件流程圖如圖5所示。
圖5 非線性校正算法流程圖
3.2 HART通信軟件設(shè)計
HART協(xié)議通信程序根據(jù)HART協(xié)議規(guī)范要求，主要由HART協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層軟件構(gòu)成。渦街流量計在HART協(xié)議通信時作為從設(shè)備使用終端，系統(tǒng)僅需進(jìn)行從設(shè)備通信軟件設(shè)計。
由于HART總線為半雙工模式，從設(shè)備必須在接收到通信主機(jī)（上位機(jī)或手操器）命令幀后，由微處理器做出相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，并產(chǎn)生應(yīng)答幀。為了能夠及時地接收到主機(jī)發(fā)送的命令又不影響主程序正常運(yùn)行，HART通信模塊程序主要在中斷程序來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)A5191HRT的載波檢測輸出腳OCD變?yōu)楦唠娖綍r，觸發(fā)硬件中斷，MCU完成主機(jī)命令的接收和處理后，生成相應(yīng)的應(yīng)答幀，在完成應(yīng)答后，退出中斷子程序。HART通信程序流程圖如圖6所示。
圖6 HART通信程序流程圖
HART協(xié)議通信模塊采用這種接收命令并應(yīng)答的方法完成現(xiàn)場儀表和主機(jī)之間的通信，可以實(shí)現(xiàn)通訊主機(jī)對現(xiàn)場儀表的各個工作參數(shù)的設(shè)置、測量結(jié)果的讀取、儀表工作狀態(tài)的檢測等功能，并且具有程序設(shè)計靈活的優(yōu)點(diǎn)。
4 結(jié)語
該智能渦街流量計充分利用微處理器MSP430F147內(nèi)部功能模塊，提高了系統(tǒng)集成度與可靠性，采用了簡單實(shí)用且方便實(shí)現(xiàn)的分段直線方程的非線性校正算法，有效地解決了渦街傳感器非線性特性的問題。采用該算法后，試驗(yàn)運(yùn)行表明，流量計的量程比可達(dá)25∶1。
儀表硬件上設(shè)計了隔離式的HART通信模塊，通信軟件設(shè)計符合HART協(xié)議要求，可由上位機(jī)或手操器進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，并且數(shù)字通信不影響（4～20）mA模擬信號輸出，與傳統(tǒng)模擬儀表有較好的兼容性。目前，該智能渦街流量計已實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)和銷售，并廣泛應(yīng)用于油田注水站、注聚站等監(jiān)測現(xiàn)場。
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