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、運行可靠、維護簡單、測量精度高等優(yōu)點[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:
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。
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理所決定的[3]。在實際使用時,先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。
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(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。
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,電源電壓經(jīng)電阻分壓后與高精度基準電壓比較,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。
2.3HART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。
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,采樣電阻上流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(yīng);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。
系統(tǒng)上電復位后,MSP430F147首先完成各模塊初始化,之后進入低功耗模式LPM3[7]。通過中斷喚醒MCU的方式執(zhí)行相應(yīng)功能模塊,中斷完成后恢復低功耗模式。系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。
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。顯然曲線上任一點可由分段直線段上的點近似表示,則有:
(3)就是得到的兩點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,在非線性校準時,先要判斷當前測得頻率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”斷程序中實現(xiàn),具體算法軟件流程圖如圖5所示。
3.2HART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(上位機或手操器)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發(fā)送的命令又不影響主程序正常運行,HART通信模塊程序主要在中斷程序來實現(xiàn)。當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。
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)場儀表和主機之間的通信,可以實現(xiàn)通訊主機對現(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。
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,采用了簡單實用且方便實現(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,試驗運行表明,流量計的量程比可達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,可由上位機或手操器進行遠程操作,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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