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基于HART协议的金属管浮子流量计
发布时间:2020-11-30 08:29:42

摘要:先容一种基于HART协议的金属管浮子流量计的设计方案。应用磁阻传感器测量金属管浮子的角位移,利用HT2015和AD421实现HART协议通信物理层,并叙述了MSP430单片机的App编程,实现了各项功能和HART通信。
0引言
  金属管浮子流量计具有灵敏度高、测量范围宽、压力损失较小和耐高温、耐高压、耐腐蚀等特点,广泛应用于中小流速流量的工业计量。该流量计利用电容式角位移传感器测量机械连杆的旋转角度原理进行设计[1.2],但电路设计复杂,功耗较大,精度不高。HART协议[3]使用FSK技术,在4~20mA模拟信号上叠加频率信号,使得模拟信号与数字双向通信同时进行。本文提出一种使用各向异性磁阻式传感器,应用HT2015和AD421实现HART协议的新型智能金属管浮子流量计的设计方案。该流量计能实现量程范围设置小流量切除等功能,具有功耗低、响应快等特点,能替代进口的同类型HART仪表广泛应用于工业计量。
1系统结构原理
  金属管浮子流量计结构原理图如图1所示。它是由一个锥形管和-一个置于锥形管中可以上下自由移动的浮子构成,锥形管垂直安装,浮子重心与锥管管轴相重合,磁钢内嵌在浮子中。当流体自下向上流入锥管时,作用在浮子上的力有3个:流体作用在浮子上的动压力、浮子在流体中的浮力和浮子的重力。当这些力平衡时,浮子就平稳地浮在锥管内某--位置上。对于一台给定的浮子流量计,浮子在锥管中的位置与流体流经锥管流量的大小成一-*对应关系。而浮子在锥管中的位置决定于浮子的高度,因此,要实现对流量的测量取决于对浮子的高度的测量[4]。
  由于浮子上下移动时,其内嵌磁钢也随之上下移动,与流量计外部磁钢形成内外磁钢磁路耦合,带动机械连杆旋转一定角度θ,将信号传递给现场显示器,指示流量大小。故对流量大小的测量转换为求角位移θ的大小。
金属管浮子流量计结构原理图示
2硬件设计
  系统的硬件电路以MSP430F149为控制核心,主要有电源模块和HART协议物理层模块、液晶显示接口及按键接口模块等部分组成,如图2所示。

2.1MSP430F149单片机
  MSP430F149单片机为TI企业生产,具有16位的RISC结构,自带12位的A/D转换,CPU中的16个寄存器和常数发生器使MSP430F149能达到最高的代码实行效率,其灵活的时钟源可以使器件达到最低的功率消耗[5.6]。同时,MSP430F149的FLASH存储器模块中有2段信息段存储器,分别为信息存储器A和B,每段各为128字节。
2.2传感器模块
  本设计选用了HONEYWHL企业生产的磁阻式传感器HMC1501来实现对机械连杆角位移θ的测量。它是利用含铁材料的各向异性原理感测周围磁场的变化,运用特殊工艺制成的薄膜状磁阻元件。其原理为:将4个磁阻元件构成一个金刚石状的惠斯登电桥,如图3所示。
2.3HART协议物理层
  根据HART协议物理层的要求,设计了图4所示的物理层电路。其中,HT2015是美国SMAR企业推出的专为HART设备设计的第二代低功耗调制解调器,只需外接少量元件即可构成完整的HART信号的调制解调。HT2015内部包含5个主要模块:振荡器模块、控制逻辑模块、载波检测模块、调制与发送波形整形模块、接收滤波器与解调模块。

  HT2015中引脚ORXD和IIXD分别和MSP430F149的异步:串行通信口发送和接收端相连接。当主设备发送命令时,电流环上的HART信号送到HT2015的接收滤波器进行滤波和解调为“0”,“I”数字信号,单片机接收到有效的HART通信帧后进行命令说明,然后,返回相应的通信数字信号,经HT2015调制和波形整形后通过电容器Cz加到AD421的Cz端。O0D为载波检测输出,当RXA端检测到有效的输入时,00端变高,产生中断,由单片机判断是否进入接收状态。NRTS是发送请求端,当CPU要返回命令时,NRTS电平变低,发送数据进入调制与发送波形整形模块。
  AD421是美国AD企业推出的一种单片高性能数模转换器。它由电流环供电,16位数字信号以串行方式输入,4~20mA电流输出,可实现低成本的远程智能工业控制,兼容HART协议。AD421内部含有电压调整器可提供+5,+33V或3V输出电压,还含有+125,+25V基准电源,均可为其自身或其他电路选用。AD421保证16位的分辨率和单调性,其积分线性误差为0001%,失调误差为01%增益误差为02%。

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