现场总线涡街流量计的设计与研制

　　随着大规模集成电路及计算机控制技术的日趋成熟,尤其是单片机和总线技术的引入,使仪表发生巨大变化,对现场信号的采集、传输和数据处理提出了更高的要求,因此国际电工委员会IEC和现场总线基金会FF组织提出了现场总线的设想,即用数字信号代替4～20 mA模拟信号[1],为了使现场总线仪表与现行的仪表通用,美国的Rosemount公司首先提出了一项过渡性现场总线标准,即HART通信协议(Highway Addressable Romote Transducer可寻址远程数据公路)[2]。HART协议将对仪表行业实现自动化网络通讯连接起根本性作用。

　　本文根据河南开封仪表厂HART协议智能涡街流量计研究开发和工程化的科研任务,研制出LUHT型HART协议智能涡街流量计。

　　现场总线仪表的开发与研制

　　1.涡街流量计工作原理

　　1)传感器工作原理

　　当在流体中插入一个与流动方向垂直的柱状阻挡体时,则在阻挡体下游会交替地产生两列内旋的旋涡,称之为“卡门涡街”,产生涡街的柱状阻挡体称之为旋涡发生体,在一定的雷诺数范围内旋涡的释放频率f与流体流速V及旋涡发生体的迎流面宽度d之间关系为:f=SrV/d式中Sr为斯特劳哈尔(Strouhal)数,只要准确测出频率f,就可以测流体流速V=f·d/Sr,从而达到测量管道内流体流量的目的,即:Q=f/k(k为仪表系数,次/升)。

　　由于旋涡发生体两侧交替产生旋涡,在发生体两侧就产生压力脉动,从而使检测杆产生交变应力,封装于检测杆内部的压电晶体在交变压力的作用下产生与旋涡同频率的交变电荷信号.

　　2)转换器工作原理

　　流量传感器将交变电荷信号送入转换器中电荷放大板,经放大后送入智能及通讯单元,温度变送器,压力变送器输出的4～20mA DC电流信号同时也送入智能及通讯单元,由CPU对流量、温度、压力信号进行处理,然后送入显示单元显示出气体在标准状况下的体积流量,并通过总线(24V DC电源线)输出4～20mA DC模拟信号,其测量气体流量的计算公式:

2. HART协议接口及通信协议

　　HART协议采用移频键控FSK(FrequencyShift Keying)原理,它基于Bell202标准:1 200Hz代表逻辑“1”,2 200Hz代表逻辑“0”,这2种频率信号叠加在直流模拟信号上传送,因此模拟通信与数字通信可以同时进行,由于FSK信号平均值为0,因此4～20mA信号不受影响,且HART协议为主从协议,所有的通信动作均由主站唤起,它寻址一个现场仪表(从站),后者解释命令格式并发出响应[3]。

　　3. HART协议涡街特点及关键核心技术

　　1)主要技术性能指标

　　测量介质:气体、液体;