基于HART协议的新型智能气体涡街流量变送器设计.doc

基于HART协议的新型智能气体涡街流量变送器设计 仪表技术2004年第2期 基于HART协议的新型智能气体涡街 流量变送器设计 欧阳惠斌,唐耀庚,高嵩 (南华大学电气X-.程学院,湖南衡阳421001) 摘要:介绍由信号检测模块,单片机模块,HART通信模块和其他功能电路组成的新型智能气体涡街流量 变送器,它集信号变换,处理和数字通信等功能于一体.实际应用表明,变送器性能指标达到了设计要求. 关键词:涡街流量变送器;智能;通信;HART协议;单片机 中图分类号:TH814文献标识码:B文章编号:1006—2394(2004)02—0056—03 DesignoftheIntelligentVortexFlowTransducerforGasBasedonHARTProtocol OUYANGHui—bin,TANGYao-geng,Gao-song (ElectricalInst.,NanhuaUniversity,Hengyang421001,China) Abstract:Theprincipleandtechnology. oftheintelligentVortexflowtransducerforgasbasedonHARTprotocolareintroduced.Thetransducer consistsofthemeasurementmodule,SCM,HARTmoduleetc.Thefuctionsincludingsignalconversion,processanddigitalcommunicationareinte— gratedinit. Keywords:Vortexflowtransducer;intelligent;communication;HARTprotocol;SCM 1变送器整体结构 涡街流量计具有结构简单,稳定性好,量程范围宽 等优点,应用日益广泛,尤其适合蒸气,燃气等气体流 量计量.开发具有通信功能的智能涡街流量变送器, 可增强其功能,适应网络化监控的需要.基于HART 协议的新型智能气体涡街流量变送器结构如图1所 示,主要由信号检测电路,单片机系统,通信模块和其 他功能电路,如电源模块,显示模块等组成. 频率 温度 压力 HART1I_ 图1智能变送器结构图 信号检测电路完成流量等现场信号检测与预处理 功能,提供单片机系统可接受的信号.通信模块提供 变送器跟现场总线的接口,将单片机输出的数字信号 转换成HART信号送到电流环路上,并接收环路上的 HART信号,将其转换成数字信号送单片机处理.单 片机系统集中控制智能变送器的其他各个功能电路和 数据采集,数据处理,数据通信等各个环节的工作过程. 2工作原理与信息检测电路 涡街流量计基于流体振荡原理来测量流量.在流 动的流体中放置一柱形旋涡发生体,使流体产生两列 有规律的交替旋涡列;在一定雷诺数范围内,旋涡发生 频率厂和流体平均流速的关系为: f=S.×v/d(1) 式(1)中,d是旋涡发生体的特征宽度,s.是斯特劳哈 尔系数,是雷诺数的函数,在雷诺数为500～15000区 域,基本为一常数.若流体流通载面积是A,则流体体 积流量Q与旋涡发生频率的关系为: Q=×A=f/K(2) 式(2)中,K=S./d?A是变送器的仪表系数.因此通 过测量旋涡频率,就可测出流体的流量.旋涡频率检 测电路原理如图2,以压电元件作传感器,将旋涡发生 频率转换成同频率电脉冲信号,经过放大整形后,送给 单片机系统进行计数测量.由于气体流量跟管道中气 体的温度和压力有关,要将测得的工作状态下的体积 流量换算成标准状态下的体积流量,或测出气体质量 流量.因此,要同时测出工作状态下气体的温度和压 力,再由单片机按设计好的算法计算出相应的结果. 图2漩涡频率检测电路框图 根据理想气体状态方程,可求得工作状态下气体 体积流量换算成标准状态下体积流量的算法如下: Q~-PT.Q(3) 收稿日期:2003一l1 作者简介:欧阳惠斌(1965一),男,湖南衡阳人,讲师,硕士,主要从事电子信息技术的科研与教学工作. 一 2004年第2期仪表技术 式中:Q一标准状态(P=760mmHg,T..=293K)下的 体积流量;T一标准状态下被测气体绝对温度;P,一 标准状态下被测气体绝对压力;一工作状态下被测 气体绝对温度;P一工作状态下被测气体绝对压力; z一工作状态下被测气体的压缩系数. 质量流量p: Q=lD×Q(4) 式(4)中,ID是标准状态下被测气体密度. 变送器中选用铂热敏电阻器检测气体温度,可适 应测量不同温度的气体流量的需要;气体压力采用 NPI系列固态压阻式压力传感器检测,NPI固态压力传 感器将固态集成工艺和隔离膜片技术结合在一起,能 适应恶劣的工作环