涡街流量计基于HART协议的温压补偿的设计
发布时间：2016/4/5 18:33:00
摘 要：在传统涡街流量计的基础上，设计出符合HART协议的两线制一体化温压补偿型涡街流量计。介绍了传盛器工作原理和温压补偿方法，给出系统的设计结构和硬件电路组成。着重阐述了HART协议在涡街流量计中的软硬件实现方法，并通过HART调制解调器实现了仪表与上位机之间的双向数字通讯。
1 引言
涡街流量计的应用是80年代兴起的一种测量技术，其优点在于量程范围宽、维护简单、介质适应性强等。目前，它在蒸汽和其它气体测量中逐步取代其它类型的流量计，得到广泛应用[2]。HART
（Highway Addressable Remote Transducer）协议是美国Rosemout公司于80年代提出的一种用于现场智能仪表和控制室设备通讯的协议，它具有兼容4~20mA模拟信号与数字通信的性质[4]。本文所设计的流量计是在现有涡街流量计的基础上，加入温度和压力参数的测量，并将HART通讯协议引入流量计中，设计出集温度、压力、流量测量于一体的带有HART协议的温压补偿型HKGB涡街流量计。经研究表明，这种涡街流量计不仅具有温压补偿功能，而且实现了与上位机的远程操作，具有广阔的发展前景。
2 流量测量原理及温压补偿
2.1 流量测量原理
涡街流量传感器是依据卡门涡街原理制成的，即在充满流体的管道中垂直于流体的流向上插入非线性物体（即旋涡发生体），当流体的流速达到一定数值时，在旋涡发生体两侧会交替释放出两列规则排列的旋涡，单列旋涡的频率f与被测流体的平均流速v存在如下的关系式[1]：
f= St（V1/d） （1）
式中，f— 单列旋涡频率，Hz
d— 旋涡发生体迎流面的宽度，m
V1— 旋涡发生体两侧平均流速，m/s
St— 斯特劳哈尔数，无量纲
当雷诺数Re在2×104~7×106的范围内，旋涡发生体和管径足寸确定后，St值为常数。由此可知，单列旋涡频率和流体体积流量成正比，只要用传感器检测出旋涡频率f的数值，就可准确地确定流量的大小。
2 温压补偿
对于气体质量流量的测量，由于易受温度、压力的影响使其偏离理想的工作状态，从而导致测量结果产生较大误差。因此，为了提高，在本设计中增设温度和压力传感器，对气体质量流量的测量进行温压补偿[2]。下面以过热蒸汽为例，介绍温压补偿方法的实现。
对于过热蒸汽的密度计算，通常采取如下两种方法：
ρ=AP/（BT + CP + D） （2）
ρ=[a（t + 273.15）/（bP
+ c）+ dT-e）]-1 （3）
式中，T— 过热蒸汽的温度，℃
P— 过热蒸汽的压力，MPa
A=201.3017 B=1 C=-1.557327 D=244.6104
a=0.00471 b=10.197 c=1.0336
d=1.32×10-5 e =0.0097
由于这两个公式对于某些点的测量不够高，所以为了提高计量的准确度，在式（2）或式（3）的基础上加入一个修正项ρ2（P，T），即
ρ2（P，T）=ρ1（P，T）+ρ2（P，T） （4）
其中，ρ2（P，T）可由下式求得：
ρ2（P，T）=A0（P）+A1（P）（T-100）+A2（P）（T-100）2 （5）
A0（P）=a00 + a01P +
a02P2 （6）
A1（P）=a10 +
a11P + a12P2 （7）
A2（P）=a20 + a21P +
a22P2 （8）
式中，a00=-1.2731×10-2
a01=8.6967×10-2 a[02]=0.41105
a10=-5.2032×10-6 a11=9.7009×10-4
a12=-3.2285×10-3 a20=5.7813×10-8
a21=2.5515×10-6 a22=6.6671×10-6
利用此公式所得到的过热蒸汽密度值，其补偿很高。同理，对于其它类型的气体，也可以采用其相对应的密度补偿公式来实现对质量流量测量的温压补偿。
3 基于HART协议的温压补偿型HKGB涡街流量计的硬件设计
带有HART通讯协议功能的温压补偿型HKGB涡街流量计的硬件系统结构如图1所示。电路采取模块化设计，主要包含了传感器模块、MCU模块、HART通讯模块和显示模块四个部分。
首先，由传感器模块测得的频率信号经放大、滤波、整形后送入单片机进行线形化处理、量程转换、累计流量计算和单位转换等。如果测量介质是气体，还需要通过A/D采样得到温度和压力值，根据密度补偿模型计算出质量流量。然后，经过温压补偿后的流量信号通过HART通讯模块实现与上位机的远程通讯。
3.1 HART通讯模块设计
HART通讯模块部分主要由D/A转换器和Bell202 M0DEM及其附属电路来实现[3]，部分电路连接如图2所示。
D/A转换器采用AD421，它是美国ADI公司推出的一种单片高性能数模转换器，由环路供电，
16位数字信号以串行方式输入。可以将数字信号直接转换成4~20mA电流输出， 采用16引脚DIP 、TSSOP
、SOIC封装。AD421除了能进行串行16位D/A转换外，还提供可选择的（5V、3.3V或3V）稳压输出以供电路其它部分的用电。
HART MODEM采用Smar公的HT2012芯片，它是符合Bell
202通讯标准的半双工调制解稠器.采用16脚DIP和28脚PLCC封装[5]。它一方而与MCU的异步串口进行串行通讯，另一方面将输入的不归零制的数字信号调制成1200Hz（逻辑1）和2200Hz（逻辑0）的FSK信号，经过AD421叠加在4~20mA回路上输出，或者将回路信号经放大整形、带通滤波后取出FSK信号，再将其解调为数字信号，从而实现HART通讯。
附属电路主要实现信号的滤波整形，由带通滤波器和方波整形电路组成。其中，方波整形电路将HT2012输出的电压信号整形为方波，产生数字电路所要求的陡峭的上升沿和下降沿，然后通过电容耦合到AD421的C3端口。带通滤波器由两片低功耗运算放大器及电阻、电容组成，其通带频率大约为950~2550Hz。它将4~20mA环路上±0.5mA
HART电流信号转换成电压信号，经过HT2012解调再送入单片机串行通讯接口，完成数据接收任务。
3.2 低功耗设计
由于本流量计采用电源线和信号线复用的两线制方式，其电路消耗的电流加上0.5mA的HART正弦调制波信号电流不得超过4mA的回路电流，即系统功耗必须小于3.5mA。这里，采用了纯硬件的方法来降低功耗。
经过多方面选择和比较、最终所选用的A/D、D/A、EEPROM、液晶显示器件以及频率信号放大电路这几部分的电流之和不超过2.2mA。MCU选用了以低功耗为特征的MICROCHIP公司的PIC16F877芯片，它在1.8432MHz下工作电流小于0.8mA。压力和温度测量电路部分则采用0.5mA的恒流源串联供电，这样整个系统的电流不超过3.5mA，完全符合HART协议的要求，可在此基础上叠加HART信号，保证总电流会超过4mA。
4 基于HART协议的多变量HKGB涡街流量计的软件设计
此流量计的软件设计主要由主程序、测控程序和HART通讯程序三部分组成。主程序主要完成上电复位后对I/O口、定时器、异步串行口以及一些参数的初始化工作，并在主循环中等待响应中断。测控程序和HART通讯程序均采用中断程序设计，以保证准确测量和实时通讯。测控程序主要包括A/D采样、流量计算、温压补偿及键盘和LCD示程序等。
HART通讯程序亦即HART协议数据链路层和应用层的软件实现，是HART多变量HKGB涡街流量计的设重点。HART协议通过MCU的串行口采用主从方式进行通讯。流量计在上位机询问时发出应答信号。通过HT2012实现数据的接收和发送。先由上位机发送命令帧格式，HKGB涡街流量计由串行口中断接收到命令帧后，由MCU作相应的数据处理，然后将处理过的数据整理后作为应答帧的内容放入发送缓冲区，
再由MCU触发发送中断，发出应答帧，从而完成命令的交换。接收数据时，若该流量计检测到数据有错，则等到上位机命令帧发送完以后，它发出置有相应错误状态位的应答帧、告知上位机数据接收有误，上位机接收该应答帧后，则重发命令帧，从而保证通讯的准确无误。基本的串行中断程序框图如图3所示。
5 结束语
本文所介绍的温压补偿型HKGB涡街流量计不仅具有普通仪表的量程、零点、单位转换等功能外，而且完全符合HART协议的要求，可与上二位机进行远程操作，
由上位机远程读取瞬时流量、累积流量等参数，或对量程、零点、单位等进行设置，便于实时监控。同时，由于引入了温度、压力信号的补偿。HKGB涡街流量计的测量大为提高。因此，这种带有HART协议的温压补偿型HKGB涡街流量计在国内必将具有良好的发展前景。
参考文献
[1]蔡武昌等.流量测量方法和仪表的选用[M].北京：化学工业出版社.2001
[2]莫德举.朱大雷，吴天文.多变量涡街变送器的研究.测控技术.2001，20（11）：18-26.
[3]蔡立虹.庞彦斌.HT2012 HART
MODEM在HART协议中的应用.工业仪表与自动化装置.2001.（2）：54-65.
[4]HART field communication
protocol：An introduction for user and manufactures. HART communication
foundation（HCF），1998.4.
[5]HT2012 HART Modem Data Sheets and Application
Notes.Smar Research Corporation[S].1997.9.