基于HART总线的涡轮流量计

0　引言

涡轮流量计精度高,测量范围广,惰性小,但测量信号易受到各种外界因素的影响,干扰严重,而且存在着断电的危险,所以常规的涡轮流量计精度摆动不定,误差较大。而利用MSP430F147单片机设计的智能型涡轮流量计,不但保证了测量精度,而且利用其超低功耗的特性,极大地延长电池的使用寿命。HART协议是可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议,其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信,已在很多智能仪表中得到了应用。为满足用户的使用需要,系统增加了HART模块,并设计了现场显示、累计流量存储、键盘管理的人机交互界面,以完成对流体瞬时流量的计量和监控。

1　工作原理

当被测气体流入流量计时,首先在整流器作用下得到整流并加速。由于涡轮叶片与气体流向成一定角度,流体产生的作用力驱动流量计涡轮旋转,涡轮的理论旋转速度与流量成正比。通过测量涡轮的转速可以从计数器读取工况流量[1]。

1. 1　一般情况

在一般情况下,涡轮流量计系数K决定了流量和频率的关系,在不考虑温度修正时:

K=N /V

式中:N为流量计测得的脉冲数; V为同一时间测得的液体体积。

1. 2　工业情况

在充分考虑工业液体的密度和温度的影响时,传感器处的体积单量值可修正为

V1=N(2α1+α2)(20-t) /K

式中: t为传感器处的温度;α1为传感器壳体的线膨胀系数;α2为传感器叶轮的线膨胀系数。

通过对传感器处的物理尺寸所做的温度修正,便可以由脉冲的个数和标准条件下的传感器系数,求出液体流经传感器处的体积V1,然后算出传感器对应的流体的密度ρt,再利用M=ρtV1计算出流体的质量[2]。

2　硬件设计

硬件设计如图1所示。

单片机选用具有超低功耗的16位单片机MSP430F147,内含12位快速A/D, 32 K字节FlashROM, 1 K字节RAM,片内资源丰富。该单片机的工作电压范围为1·8~3·6 V,系统功耗极低,特别适合用在干电池供电的仪表[3]。

2. 1　数据采集部分

流量信号检测采用研制的涡轮流量计,测量时利用霍尔传感器将流量转换成脉冲信号并发送到单片机的P1·6口,使用中断方式对脉冲计数。

由于实际使用中被测流体密度和操作状态的改变,必须对检测到的流量进行修正。温度传感器选用DS18B20,量程范围较宽(-55~125℃),使用中不需要任何外围器件,测量结果以9位数字量方式串行传送。压力传感器采用154N型扩散硅压力传感器,测量精度为0·1%,具有较好的线性度和低功耗特性,能够实现零位校准和温度补偿。

2. 2　累计存储

为了保存累计流量,单片机的P3口外扩了一个EEPROM24LC02B,如图2所示。由于24LC02B是I2C总线工作方式,而MSP430F147单片机没有I2C,因此在设计时采用单片机的一般I/O口P5·5和P5·6分别作为I2C总线的SCL和SDA线,采用软件来模拟I2C总线,从而实现与24LC02B进行接口。此外为了减小电源的干扰,还需要在24LC02B芯片的电源输入管脚加一个0·1μF的电容来实现滤波,以减小输入端受到的干扰[4]。