基于HART協(xié)議的智能金屬管浮子流量計

1 引言

早期的流量計都是模擬式儀表，信息傳輸采用的是4~20mA或1~5V的模擬信號，進(jìn)行儀表參數的設定都需要到現場(chǎng)，通過(guò)按鍵來(lái)完成。隨著(zhù)控制技術(shù)，特別是網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的迅速發(fā)展，智能儀表正逐步取代傳統的模擬儀表，其標志主要體現在高可靠性、高精度和總線(xiàn)通信。在流量測量方面，智能的差壓流量計、電磁流量計都得到廣泛應用。而金屬管浮子流量計雖然在石油、化工、醫藥等領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用，但由于大多工作環(huán)境惡劣，金屬管浮子流量計的智能化改造有著(zhù)一定的技術(shù)困難，加之金屬管浮子流量計本身是低成本的儀表，如果改造成本過(guò)高，將會(huì )使其喪失本身的成本優(yōu)勢。

筆者設計了智能金屬管浮子流量計，通過(guò)選用高性能、低功耗、低成本的微處理器，一方面將HART協(xié)議移植到金屬管浮子流量計上實(shí)現總線(xiàn)通信，另一方面采用Kalman濾波方法，提高了流量計的精度。

2 流量計的硬件設計

智能金屬管浮子流量計的硬件采用模塊化設計，共分為傳感器單元、微處理器單元、顯示單元、總線(xiàn)通信單元和供電單元等五個(gè)模塊。硬件框圖如圖1所示。

圖1 智能金屬管浮子流量計硬件框圖

現場(chǎng)信號的檢測，由傳感器單元來(lái)完成，將磁鋼嵌在流量計的浮子內部，霍爾元件固定在流量計外管壁，當流量改變時(shí)，浮子位置改變，磁鋼的磁場(chǎng)隨之改變，霍爾元件輸出的電壓經(jīng)放大調理后送入微處理器單元。

微處理器單元的核心選用TI公司的MSP430FE425，其運算速度高、超低功耗的同時(shí)，內部集成了AD轉換器和FLASH存儲器，因此可以有效地減少系統的配置，大大簡(jiǎn)化了系統的硬件組成，提高系統的運行的可靠性。微處理器單元接收傳感器單元的檢測信號，經(jīng)濾波、溫度補償后將現場(chǎng)實(shí)際流量值送至顯示單元顯示，同時(shí)經(jīng)總線(xiàn)通信單元、HART總線(xiàn)送至上位機。

總線(xiàn)通信單元是HART協(xié)議物理層的硬件實(shí)現。一方面微處理器單元送出的數字信號經(jīng)調制解調器HT2012調制成FSK頻移鍵控信號，疊加在環(huán)路上發(fā)送到HART總線(xiàn)。另一方面總線(xiàn)通信單元將從HART總線(xiàn)接收到的信號解調，然后將數字信號送給微處理器單元。從而實(shí)現了智能金屬管浮子流量計和上位機之間的雙向通信。

3 流量計的軟件設計

智能金屬管浮子流量計的軟件設計采用模塊化編程結構，主要包括三個(gè)部分：輸入模塊、控制模塊、輸出模塊。所有程序代碼均采用C語(yǔ)言編寫(xiě)。

輸入模塊主要包括數據采集、濾波、溫度補償、非線(xiàn)性補償和數值計算等，總體采用定時(shí)器中斷方式，程序流程圖如圖2所示。輸入模塊中的非線(xiàn)性補償程序采用分段線(xiàn)性擬合的方式來(lái)實(shí)現。通過(guò)采集9組或11組流量信號，作為擬合直線(xiàn)的端點(diǎn)，當前采樣值按數據大小得到擬合曲線(xiàn)段的斜率和初始數據，代入擬合方程即可得到修正后的流量數據。

圖2 輸入模塊程序流程圖

控制模塊包括鍵盤(pán)處理程序和看門(mén)狗程序，鍵盤(pán)處理功能是通過(guò)中斷方式設置標志位在置入參數子程序中實(shí)現的。智能金屬管浮子流量計在通過(guò)總線(xiàn)組網(wǎng)，實(shí)現上位機組態(tài)調試的同時(shí)，通過(guò)鍵盤(pán)，可以就地調試。

輸出模塊包括顯示程序和通信中斷服務(wù)程序。通信中斷服務(wù)程序流程圖如圖3所示。

圖3 通信中斷服務(wù)程序流程圖

4 結論

在設計過(guò)程中，我們一方面采用了高性能、低功耗、低成本的微處理器，在金屬管浮子流量計上實(shí)現了HART總線(xiàn)通信，實(shí)現了上位機組態(tài)，連接圖如圖4所示。另一方面充分考慮智能金屬管浮子流量計在現場(chǎng)工作時(shí)由于管道機械振動(dòng)和磁場(chǎng)不穩定的干擾，微處理器獲得的信號有噪音，采用數字信號處理方法結合現代濾波技術(shù)，采用Kalman濾波方法，提高了流量計的精度。同時(shí)由于采取了溫度補償措施，提高了流量計的抗溫度干擾能力。

圖4 流量計上位機組態(tài)連接圖

經(jīng)過(guò)現場(chǎng)測試，該流量計的瞬時(shí)流量基本誤差為0.8675%，回差為0.725%；累計精度不超過(guò)1.5%，溫度影響0.0019%/℃。