基于HART协议的智能式电磁流量计

　　1　电磁流量计

　　电磁流量计的基本原理是法拉第电磁感应定律,即导体在磁场中切割磁力线运动时在其两端产生感应电动势。

　　式中E:感应电动势,B:磁感应强度,D:管道直径,流体平均速度。流体的体积流量qv为:

　　式中,K为转换系数,

　　电磁流量计分为流量传感器和转换器两部分。传感器包括测量管,激磁线圈,电极等,将流量信号转换为感应电势,由电极引出;转换器将E转换为标准信号输出,以便进行计数测量。

　　电磁流量计的测量优点很多, (1)它的测量管是光滑直管,不易阻塞,适用于测量含有固体颗粒或纤维的液固两相流体,如纸浆、煤水浆、矿浆、泥浆和污水等; (2)它的压力损失小,且前置直管段要求较低; (3)输出线性,且其体积流量不受流体密度、粘度、温度、压力和导电率变化的影响,抗干扰能力强; (4)测量范围大,量程比大,通常可达20∶1~50∶1; (5)测量口径范围宽,从几mm到3m,可测正反双向流量,也可测脉动流量。但它不能测电导率低的液体,不能测气体、蒸汽和含有较多较大气泡的液体的流量,如石油制品,有机溶剂等。

　　智能化的电磁流量计是数字信号和模拟信号混合的变送器,在普通电磁流量计的基础上结合HART通信协议,可以实现流量仪表智能化,适应现场总线控制系统的要求。

　　2　HART协议

　　HART(High Addressable Remote Transducer可寻址远程传感器高速通道)通信协议是一种过渡性协议,它参照“ISO/OSI”的模型标准,简化并引用其中三层,即物理层,数据链路层和应用层制定而成;采用FSK(频移键控)技术,在一条电缆线上同时传输4~20mADC的模拟信号和数字信号,使模拟信号和数字双向通讯能同时进行,互不干扰。如图1,在4 ~20mADC基础上叠加幅度为±0.5mA的不同频率的正弦调制波作为数字信号, 1200Hz频率代表逻辑“1”,2200Hz代表逻辑“0”。其传送速率为1200bit/s。

　　HART通信可以有点对点或多点连接模式。传输介质一般为双缆线;当传输线路较长时,可用屏蔽双绞线。HT2012是专门为HART产品而设计生产的,具有价格便宜、功耗低的特点。它包括调制器、解调器、载波监测电路和时基电路,如图2。时基电路外接460.8kHz的振荡频率信号,调制器将由ITXD引脚输入的数字信号调制成FSK信号,从OXTA端输出;解调器将从IRXA引脚输入的FSK信号解调成数字信号,由ORXD端输出。调制器和解调器的工作受INRTS端输入电平的控制, INRTS端子与CPU的I/O口相连,可以由CPU来控制调制器和解调器的工作状态,其通信为半双工方式。当INRTS输入为低电平“0”时,调制器工作,解调器输出不定;当INRTS端输入为高电平“1”时,解调器工作,调制器呈高阻状态。HART协议通信电路由CPU、数模转换器AD421、HART通信模块HT2012、波形整形电路和带通滤波器组成。CPU输出的与被测参数成比例的数字信号,经AD421转换为4~20mA电流输出。同时,需进行数字通信的二进制数字信号由串行口发送端RX输出至HT2012调制为FSK信号,再经波形整形电路送至AD421,叠加到4~20mA直流信号上。