（机械电子工程专业论文）基于hart协议的智能金属浮子流量计的研究.pdf

浙缸大学硕士学位论文 摘要 浮子流量计是以浮子在垂直锥形管中随着流量变化而升降，改变它们之间 的流通面积进行测量的体积流量仪表，又称转子流量计。在美国、日本常称作 变面积流量计( v a r i a b l ea r e af l o w - m e t e r ) 或面积流量计。浮子流量计原理设 想发源于1 9 世纪6 0 年代，2 0 世纪初出现商品。据有关资料显示，英国1 9 8 5 年统计出在流量仪表行业，浮子流量计的应用已占到1 9 2 ，我国这几年来， 浮子流量计的生产和应用也呈明显的上升趋势。 本文研究内容如下： 第一章阐述了流量技术的现状与发展，介绍了浮子流量计的工作原理和结 构，简单介绍h a r t 协议，目前常用的几种工业总线、总线在现代工业控制 方面的应用等。重点介绍h a r t 协议是由模拟系统向数字系统转变过程中唯 一向后兼容的智能仪表解决方案，最后提出了基于h a r t 协议的智能金属浮 子流量计的技术路线。 第二章详细论述流量信号的采集和处理。包括新型磁阻传感器的选择应 用、流量信号的幅值放大处理及流量信号数字滤波方法，采用非接触式磁阻传 感器替代现有的接触式角位移传感器测量。介绍了几种用微处理器实现信号线 性化处理的方法，指出本课题设计中适宜选择的方法为分段线性插值法，采用 数字式非线性校正，简化了电路结构和程序设计。 第三章阐述了模拟二线制4 2 0 m a 输出金属浮子流量计的设计方法。从介 绍二线制4 2 0 m a 标准开始，指出要满足设计要求必须要采用低功耗系统的设 计思想。最后从硬件和软件设计两个方面介绍了流量的低功耗设计方法，特别 是采用低功耗设计原则和方法设计出低功耗的智能金属浮子流量变送器。 第四章详细介绍了基于h a r t 协议的智能浮子流量计的设计。包括h a r t 通信协议的介绍，从物理层、数据链路层和应用层详细介绍了h a r t 协议： 以及从硬件电路和软件设计方面介绍了基于h a r t 协议的浮子流量计的实现 方法。采用计算机软件实现金属浮子流量计的标定和h a r t 协议的通信。 第五章阐述了流量计的智能化设计。包括流量计表盘的设计方法、流量计 咚 浙江大学硕士学位论文 的标定过程及利用单片机完成累计流量值的显示功能。 最后总结整个论文，提出了进一步研究的内容。 关键词；智能金属浮子流量计，非线性修正，低功耗设计。h a r t 协议，硬件 电路，软件设计 a ，1 5 - 茹 溺 浙扛大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ef l o w - m e t e ri nw h i c haf l o a t e rc a na s c e n do rd r o pi nav e r t i c a lt a p e rp i p ew i t h t h ec h a n g i n go ff l u x t 挝sf l o w - m e t e ri sav o l u m ef l u xm e t e rm e a s u r i n gt h ef l u x t h o u g hc h a n g i n gt h ea r e ao ft h ef l o a t e ra n dt h ev e r t i c a lt a p e rp i p e ，i ti sa l s oc a l l e d r o t o rf l o w - m e t e r i na m e r i c aa n dj a p a n , t h i sf l o w - m e t e ri su s u a l l yc a l l e dv a r i a b l ea r e a f l o w - m e t e r t h ep r i n c i p i u mo ft h i sv a r i a b l ea r e af l o w - m e t e rc a n l ef o n hi n1 9 6 0 s i n t h eb e g i n n i n go ft h et w e n t i e t hc e n t u r yt h ef i r s tm e r c h a n d i s ea p p e a r e d r e l e v a n td a t a i n d i c a t e dt h a ti n1 9 8 5t h ep r o p o r t i o no f v a r i a b l ea r e af l o w m e t e rt o o ku p1 9 2 o f a l l k i n d so ff l o w - m e t e r si nb r i t a i n i no u rc o u n t r yt h e s ey e a r s ，t h ep r o d u c t i o na n dt h e a p p l i c a t i o n so f v a r i a b l ea r e af l o w m e t e ra r ea l s or i s i n go b v i o u s l y t l t i st h e s i sw i l lr e s e a r c hi n t ot h e s ep r o b l e m s i nc h a p t e ro n e ，t h et h e s i se x p o u n d st h er e c e n td e v e l o p m e n ti nf l o wm e a s u r i n g ， d e s c r i b e st h eo p e r a t i o n a lp r i n c i p l ea n ds t r u c t u r e t h et h e s i sa l s oi n t r o d u c e sh a r t p r o t o c o li i lb r i e a n di n l r o d u c e ss e v e r a lk i n d so ff i e l d b u si nc o m n l o nt i s ep r e s e n t l y t h et h e s i si n d i c a t e st h a tt h eh a r t p r o t o c o lp r o v i d e sau n i q u e l yb a c k w a r dc o m p a t i b l e s o l u t i o nf o rs m a r ti n s t r u m e n tc o m m u n i c a t i o na sb o t h4 2 0 m aa n a l o ga n dd i g i t a l c o m m u n i c a t i o ns i g n a l sa r et r a n s m i t t e ds i m u l t a n e o u s l yo nt h es a l n ew i r i n g t e c h n i c a l p r o p o s a li sa l s og i v e ni nt h i sc h a p t e r i nc h a p t e rt w o ，t h et h e s i sn a r r a t e sh o wt oc o l l e c ta n dd i s p o s et h es i g n a lo ff l u x ， w h i c hi n c l u d e st h ec h o i c eo fn e wm a g n e t i ca n g u l a r d i s p l a c e m e n ts e n s o r s ，t h e a m p l i t u d ea d j u s t m e n tc i r c u i ta n dt h em e t h o do fd i g i t a lf i l t e r 儆t h e s i sa l s o i n t r o d u c e ss e v e r a lm e t h o d so f r e a l i z i n gl i n e a r i t yo fs i g n a l s 、撕t l lm i c r o - c o m p u t e r s t h e m e t h o do f i n s e r t i n gd a t ab ys u b s e c t i o nl i n e a r i t yi st h em o s ta p p r o p r i a t e i nc h a p t e rt h r e e t h et h e s i se x p o u n d sh o wt od e s i g nt h em e t a lv a r i a b l e - a r e a f l o w - m e t e r o f 4 - 2 0 m a a n a l o gs i g n a l s w i t h t h e b e g i i 】m i n g o f i n t r o d u c i n g t h ec r i t e r i o n o f t w o - l i n e 和2 0 m a , t h et h e s i sd e s c r i b e st h el o w - p o w e rr e a l i z a t i o nb yu s i n gm o d e m m 浙茳大学硕士学位论文 l o w - p o w e rt e c h n o l o g y t h et h e s i sa l s od i s c u s s e st h eh a r d w a r ed e s i g na n dt h es o f t w a r e d e s i g n i nc h a p t e rf o u r , t h et h e s i st a l k sa b o u tt h ed e s i g no fi n t e l l i g e n tv a r i a b l e - a r e a f l o w - m e t e r b a s e do nh a r tp r o t o c 0 1 ，w h i c hi n c l u d i n gt h eh a r tp r o t o c o l ，t h e p h y s i c a ll a y e r , t h ed a t al i n kl a y e ra n dt h ea p p l i c a t i o nl a y e ro ft h eh a r t , d i s c u s s i n g t h eh a r d w a r ed e s i g na n dt h es o f t w a r ed e s i g n i nc h a p t e rf i v e , t h et h e s i se x p o u n d st h ei n t e l l i g e n td e s i g no fv a r i a b l e - a r e a f l o w - m e t e r , w h i c hi n c l u d i n gt h ed e s i g no fd i a lp l a t e , t h ed e m a r c a t i n gp r o c e s so f f l o w - m e t e ra n dt h ed i s p l a y i n gt h ea c c u m u l a t i v et o t a l a tl a s t ，s u m m a r i z e dt h et o t a lt h e s i sa n di n t r o d u c e ds o m et h e o r i e st h a tn e e dm o r e r e s e a r c h e s k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n tm e t a lv a r i a b l e - a r e af l o w - m e t e r , n o n - l i n e rr e v i s i o n ，l o w p o w e rc o n s u m p t i o nd e s i g n ，h a r tp r o t o c o l ，h a r d w a r ec i r c u i t ，p r o g r a md e s i g n i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 水7 顿签字日期：j 内6 年3 月影日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解滥至三盘鲎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权澎姿盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：辛呷孜 导师签名： 签字日期：轴6 年3 月 3 日 工作单位：鸡等量舫f 匕通菇庵也、声抛行曙， 电话：驯，舅脚f 通讯地址： 蔓履节江场海j j0 7 干 邮编： 。o 够尹 十 r ： ； ： j 浙江大学硕士学位论文 第一章概述 在工业生产中，流量、压力和温度并列为三大检测参数。流量测试仪表是工 业自动化和装置中的大类仪表之一。它广泛应用于国民经济各个领域，是发展工 农业生产、节约能源、改进产品质量、提高经济效益和管理水平的重要工具，在 国民经济中占有重要的地位1 2 】。 工业自动化仪表和装置中流量仪表具有两大功用：一是作为工业自动化控制 系统的检测物料参数的总量表；二是在工业自动化控制系统中只要有流体的系 统，都需要进行流量检测和控制。总之，流量计量仪表是能源管理和经济核算中 不可缺少的工具圆。 随着工业技术的发展，需要测量的流体日趋多样化，对流量测量的准确度要 求越来越高。被测流体有气体、液体和混合流体，流体的粘度有高有低，流体的 测量条件从高温到低温、从低压到高压，被测介质可能呈层流、素流、脉动流、 混相流等各种流体状态，流体的流量范围很宽从微小流量到大流量。为此，要根 据被测流体的种类和流动状态以及测量场所等条件，研究各种相应的测量方法。 由于测量的复杂性，流量测量仪表已经成为工业过程检测控制仪表中品种最为繁 多的一类仪表。各种流量仪表，有着各种不同的测量原理和结构特征，其使用方 法也各不一样。因此，测量流量时，事先必须充分研究测量条件，选用适合于相 应条件的流量仪表( 2 1 ，( 2 4 1 。 1 1 1 流量 1 1 流量和流量计 流量就是在单位时间内流体通过一定截面积的量。这个量用流体的体积来 表示称为瞬时体积流量( 争) ，简称体积流量；用流量的质量来表示称为瞬时质 量流量( 和) ，简称质量流量5 1 。 ， ，m，、； 乍 专 ； j ， 軎 、 浙江大学硕士学位论文 流量的表达式是： d vv 吼2 - x 2 。l i m 百 ( 1 - 1 ) 口。：塑：l i m 塑：( 1 - 2 ) p q 2 百2 牌石2 , 从t l 到t 2 时间内流体体积流量或质量流量的累积值称为累积流量，其数学 表达式为： y = e 吼毋 ( 1 3 ) m = j ；2 q m d t c - 4 ， 式中：争：体积流量，m 3 s 和：质量流量，k g s v ：流体体积，i n 3 m ：流体质量，k g t ：时间 p ；流体密度，k g m 3 u ： 管道内平均流速，n t i s a ：管道横截面积，m 2 1 1 2 流量计 流量计量是对在一定通道内流动流体流量进行测量的统称。流量测量的流体 是多样化的，如测量对象有气体、液体和混合流体；流体的温度、压力、流量均 有较大的差异，要求的测量准确度也各不相同。因此，流量测量的任务就是根据 测量目的，根据被测流体的种类、流动状态、测量场所等测量条件，研究各种相 应的测量方法，并保证流量计量值的正确传递【l 】“习。 流量传感器和温度、压力传感器并列，堪称是最重要的传感器之一。它和别 2 c 、 f i 1 0 ， 一 一 、 - 浙江大学硕士学位论文 的传感器不同，将流量传感部分和显示或变换成标准信号的指示变换部分合二为 一，通称为流量计。在i s a ( 美国仪器学会) 5 1 1 ( 1 9 7 6 ) 文件中给出的定义如 下：流量计是在一个敞开或封闭的管道中测量流动流体的流量或总量的仪表，它 通常包括一个一次仪表和一个二次仪表用。 为了适应不同的介质条件、环境条件和使用要求，各种流量计量的仪表应运 而生。在下文中根据测量方法和结构将现在常见的流量计产品诸如：电磁流量计、 差压式流量计、涡街流量计和容积式流量计等一一加以简单介绍。然后在下文中 详细介绍本课题所研究的浮子流量计及基于h a r t 协议的智能浮子流量计。 l 、电磁流量计 电磁流量计( 以下简称孙诬) 是利用法拉第电磁感应定律制成的一种测量 导电液体体积流量的仪表。5 0 年代初e m f 实现了工业化应用，近年来世界范围 e m f 产量约占工业流量仪表台数的5 6 5 。7 0 年代以来出现键控低频矩形 波激磁方式，逐渐替代早期应用的工频交流激磁方式，仪表性能有了很大提高， 得到更为广泛的应用嗍。 电磁流量计的工作原理是基于法拉第电磁感应定律的，简单的说就是当导电 流体( 导体) 流过电磁流量计磁场时( 切割磁力线) ，在与流速和磁场两者相垂 直的方向就会产生与平均流速成正比的感应电动势，该感应电动势由电磁流量计 管壁上的一对电极检测，然后可以计算出流量阱 9 1 。 e m f 的测量通道是一段无阻流检测件的光滑直管，因不易阻塞适用于测量 含有固体颗粒或纤维的液固二相流体，如纸浆、煤水浆、矿浆、泥浆和污水等。 e m f 不产生因检测流量所形成的压力损失，仪表的阻力仅是同一长度管道的沿 程阻力，节能效果显著，对于要求低阻力损失的大口径供水管道最为适合。e m f 所测得的体积流量，实际上不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率( 只要在 某阈值以上) 变化明显的影响。e m f 测量范围度大，通常为2 0 ；1 5 0 ：1 ，可 选流量范围宽。其测量口径范围比其他品种流量仪表宽，从几毫米到3 m 。可测 正反双向流量，也可测脉动流量。 但是e m f 不能测量电导率很低的液体，如石油制品和有机溶剂等。不能测 量气体、蒸汽和含有较多较大气泡的液体。通用型e m f 由于衬里材料和电气绝 缘材料限制，不能用于较高温度的液体；有些型号仪表用于过低于室温的液体， 3 h ， 6 ： 浙扛大学硕士学位论文 因测量管外凝露( 或霜) 而破坏绝缘。 e m f 应用领域广泛，大口径仪表较多应用于给排水工程。中小口径常用于 固液双相等难测流体或要求高的场所，如测量造纸工业纸浆液和黑液、有色冶金 业的矿浆、选煤厂的煤浆、化学工业的强腐蚀液以及钢铁工业高炉风口冷却水控 制和监漏，长距离管道煤的水力输送的流量测量和控制。小口径、微小口径常用 于医药工业、食品工业、生物工程等有卫生要求的场所。 2 、涡街流量计 涡街流量计( 以下简称v s f ) 是在流体中安放一根( 或多根) 非流线型阻 流体( b l u f f b o d y ) ，流体在阻流体两侧交替地分离释放出两串规则的旋涡，在一 定的流量范围内旋涡分离频率正比于管道内的平均流速，通过采用各种形式的检 测元件测出旋涡频率就可以推算出流体的流量【1 1 1 。 早在1 8 7 8 年斯特劳哈尔( s v r o u h a l ) 就发表了关于流体振动频率与流速关系 的文章，斯特劳哈尔数就是表示旋涡频率与阻流体特征尺寸，流速关系的相似准 则。人们早期对涡街的研究主要是防灾的目的，如锅炉及换热器钢管固有频率与 流体涡街频率合拍将产生共振而破坏设备“2 1 。涡街流体振动现象用于测量研究 始于2 0 世纪5 0 年代，如风速计和船速计等。印年代末开始研制封闭管道流量 计一涡街流量计，诞生了热丝检测法及热敏检测法v s f 。7 0 、8 0 年代涡街流量计 发展异常迅速，开发出众多类型阻流体及检测法的涡街流量计，并大量生产投放 市场。 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漩涡，称之为“卡门涡街”。产生涡街的柱状阻挡体称之 为漩涡发生体，在一定的雷诺数范围内漩涡的释放频率f 与流体流速v 及漩涡发 生体的迎流面宽度d 之间有：1 1 2 3 。t 1 3 1 ，= s , v n 式中s f 为斯特劳哈而( s t r o u h a l ) 数，它是一个无量纲的常数。从上式可以看出， 只要准确测出频率f ，就可以测流体流速v = f d s , ，从而达到测量管道内流体流 量的目的，即q = ，x ( k 为仪表系数) 。 涡街流量计结构简单牢固，安装维护方便，适应流体种类多，精确度较高， 4 f -， i ， l ； i 0 j ， ， 浙江大学硕士学位论文 压力损失较小，输出与流量成正比的脉冲信号，适合于总量计量，无零点漂移。 但是v s f 不适用于低雷诺数测量，故在高粘度、低流速、小1 ：3 径情况下应用受 到限青4 h j 。 我国v s f 的生产亦有飞速发展，全国生产厂达数十家。应该看到，v s f 尚 属发展中的流量计，无论其理论基础或实践经验尚较差。至今最基本的流量方程 经常引用卡曼涡街理论，而此理论及其一些定量关系是卡曼在气体风洞( 均匀流 场) 中实验得出的，它与封闭管道中具有三维不均匀流场其旋涡分离的规律是不 一样的。至于实践经验更是需要通过长期应用才能积累。一般流量计出厂校验是 在实验室参考条件下进行的，在现场偏离这些条件不可避免。 3 、差压式流量计 差压式流量计( 以下简称d p f ) 是根据安装于管道中流量检测件产生的差压、 已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来测量流量的仪表。d p f 由一次装置 ( 检测件) 和二次装置( 差压转换和流量显示仪表) 组成。通常以检测件的型式对 d p f 分类，如孔扳流量计、文丘里管流量计及均速管流量计等。二次装置为各种 机械、电子、机电一体式差压计，差压变送器和流量显示及计算仪表，它已发展 为三化( 系列化、通用化及标准化) 程度很高的种类规格庞杂的一大类仪表。差压 计既可用于测量流量参数，也可测量其他参数( 如压力、物位、密度等) “”。 d p f 按其检测件的作用原理可分为节流式、动压头式、水力阻力式、离心式、 动压增益式和射流式等几大类，其中以节流式和动压头式应用最为广泛。节流式 d p f 的检测件按其标准化程度分为标准型和非标准型两大类。所谓标准节流装置 是指按照标准文件设计、制造、安装和使用，无须经实流校准即可确定其流量值 并估算流量测量误差，非标准节流装置是成熟程度较差，尚未列入标准文件中的 检测件1 5 】【垌。 2 0 世纪9 0 年代中后期世界范围内各式d p f 销售量在流量仪表总量中台数占 5 0 - 6 0 ( 每年约百万台) ，金额占3 0 左右。我国销售台数约占流量仪表总量( 不 包括家用燃气表和家用水表及玻璃管浮子流量计) 的3 5 - 4 2 ( 每年6 万7 万 台) 。 节流式d p f 应用范围极广泛，至今尚无任何一类流量计可与之相比。全部 单相流体，包括液、气、蒸汽皆可测量，部分混相流，如气固、气液、液固等亦 5 ， i l 浙扛大学硕士学位论文 可应用，一般生产过程的管径、工作状态( 压力，温度) 皆有产品。检测件，特别 是标准型的，是全世界通用的，并得到国际标准组织的认可。对标准型检测件进 行的试验研究是国际性的，其他流量计一般仅依靠个别厂家或研究群体进行，因 此其研究的深度和广度不可同日而语。正是由于上述原因，标准型节流式d p f 无需实流校准，即可投用，在流量计中亦是惟一的。但其缺点主要在于：测量重 复性、精确度在流量计中属中等水平，压力损失大，测量范围窄，现场安装条件 高等。 尽管目前差压式流量计的使用量位居首位，但由于各种新型的流量计的问 世，使用量百分数逐渐下降。 4 ，容积式流量计 容积式流量计又称排量流量计( p o s i t i v ed i s p l a c e m e n tf l o w - m e t e r ) ，简称p d 流量计或p d f ，在流量仪表中是精度最高的一类。利用机械测量元件把流体连续 不断地分割成单个已知的体积部分，根据计量室逐次、重复地充满和排放该体积 部分流体的次数来测量流量体积总量。p d 流量计一般不具有时间基准，为得到 瞬时流量值需要另外附加测量时间的装置。定排量测量方法可追溯到1 8 世纪， 2 0 世纪3 0 年代进入普遍商业应用【l ”。 p d f 从原理上讲是一台从流体中吸收少量能量的水力发动机，这个能量用来 克服流量检测元件和附件转动的摩擦力，同时在仪表流入与流出两端形成压力 降。p d 流量计按其测量元件分类，可分为椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、刮板 流量计、螺杆式( 双转子) 流量计、旋转活塞流量计等【l ”。 p d f 计量精度高，基本误差一般为- + 0 5 r ，特殊的可达蝴2 r 或更高。 通常在昂贵介质或需要精确计量的场合使用。p d f 在旋转流和管道阻流件流速 场畸变时对计量精确度没有影响，没有前置直管段要求。因此在现场使用中有重 要的意义。且p d f 流量计可用于高粘度流体的测量，p d f 是直读式仪表，无需 外部能源，可直接获得累计总量，清晰明了，操作简便。 但是p d f 结构复杂，体积大，笨重，尤其较大口径p d f 体积庞大，故一般 只适用于中小口径。与其他几类通用流量计( 如差压式、浮子式、电磁式) 相比， p d f 的被测介质种类、介质工况( 温度、压力) 、1 2 径局限性较大，适应范围窄。 由于高温下零件热膨胀、变形，低温下材质变脆等问题，p d f 一般不适用于高低 6 t ， ， d j 浙江大学硕士学位论文 温场合。目前可使用温度范围大致在3 0 + 1 6 0 c ，压力最高为1 0 m p a 。大部分 p d f 仪表只适用洁净单相流体，含有颗粒、脏污物时上游需装过滤器，既增加压 损，又增加维护工作；如测量含有气体的液体必须装设气体分离器。p d f 安全性 差，如检测活动件卡死，流体就无法通过，断流管系就不能应用。但有些结构设 计( 如i n s t r o m e t 公司腰轮流量计) 在壳体内置一旁路，当检测活动元件卡死， 流体可从旁路通过。部分形式p d f 仪表( 如椭圆齿轮式、腰轮式、旋转活塞式 等) 在测量过程中会给流动带来脉动，较大口径仪表还会产生噪声，甚至是管道 产生振动。 5 、超声波流量计 超声波流量计利用超声波传播时间差方式和利用超声波对流体内夹杂物多 普勒效应方式之分的超声波流量计。超声波流量计不需切断既定配管，只需将检 测部贴合置于配管外侧便可测量流量。这是此流量计的独具特, 点 1 9 - e 2 0 。 6 质量流量计 化学反应是本质性质量平衡，控制量为质量，与节能、高品质密切相关。再 者由于体积受温度影响，因而就要求流量计最好能够直接测出质量流量。质量流 量计的代表方式，可以举热式质量流量计和科里奥利式流量计。前者是利用加热 器加热传递到上流侧和下流侧的温度与质量流量的关系，主要用以测量微小气体 流量。后者则是将流体引进振动的曲管部，利用曲管部受科里奥利力而产生的扭 转角与质量流量成正比的关系n 礼 2 2 1 。 1 2 1 浮子流量计概述 1 2 浮子流量计 浮子流量计是以浮子在锥型管中随流量变化而升降，改变他们之间的流通面 积实现测量的体积流量仪表，又称转子流量计。在美国、日本常称作变面积流量 计v a r i a b l ea r e af l o w - m e t e r 或面积流量计。适用于测量低流速小流量，浮子 流量计有较宽的流量范围度，一般为l o ：1 ，最低为5 ：1 ，最高为2 5 ：l 。该流 量计为低中等精度仪表，作为直观流动指示或测量精确度要求不高的现场指示仪 7 l 、 j 广 铺 ， 重 浙江大学硕士学位论文 表，占浮子流量计应用的9 0 以上，被广泛地用在电力、石化、化工、冶金、 医药、污水处理等行业瞄】。 浮子流量计原理设想发源于1 9 世纪6 0 年代，2 0 世纪初出现商品。从应用 分布图所占比例来看，1 9 8 5 年英国抽样调查7 2 家企业1 7 0 0 0 台流量仪表中浮子 流量计占1 9 2 。我国浮子流量计产量1 9 9 6 年估计在1 5 万1 7 万台之间。 1 2 2 浮子流量计的工作原理和结构 浮子流量计的流量检测元件是由一根自下向上扩大的垂直锥形管和一个沿 着锥型管轴上下移动的浮子组所组成。工作原理如图l 所示，被测流体从下向上 经过锥管1 和浮子2 形成的环隙3 时，浮子上下端便产生差压，形成浮子上升的 力，当浮子所受的上升力大于浸在流体中浮子重量时，浮子便上升，环隙面积也 随之增大，环隙处流体流速立即下降，浮子上下端差压降低，作用于浮子的上升 力亦随着减少，直到上升力等于浸在流体中浮子重量时，浮予便稳定在某一高度。 由此得出结论：浮子在锥管中的高度和通过的流量有对应关系瞄j 。 图l 工作原理 1 一锥形管：2 一浮子 3 一流逼环隙 8 浙扛大学硕士学位论文 体积流量q 的基本方程是： 负重调整量) 则 式中口一仪表的流量系数，因浮子形状而异； 一被测流体为气体时气体膨胀系数，通常由于此系数校正量很小而被忽 略，且通过校验已将它包括在流量系数内，如为液体则。= 1 ； a f 一流通环形面积，m 2 ； g 一当地重力加速度，m s 2 ； n 一浮子体积，m 3 ； p ，一浮子材料密度，k g m 3 ； p 一被测流体密度，如为气体是在浮予上游横截面上的密度，k g m 3 ； f f 一浮子工作直径( 最大直径) 处的横截面积，n 1 2 ； g ，一浮子质量，k g 。 流通环形面积与浮子高度之问的关系如式( 3 ) 所示，当结构设计已定，则d 、 b 为常量。式中有h 的二次项，一般不能忽略此非线性关系，只有在圆锥角很小时， 才可视为近似线性。 a f = x ( d h t g + h t g 争= 姗b h 2 m 2 ( 3 ) 式中d 一浮子最大直径( 即工作直径) ，1 3 1 _ i l 一浮子从锥管内径等于浮子最大直径处上升高度，i n ； ，一锥管的圆锥角； a ，b 一常数。 浮子的上下移动，通过磁藕合形式传递给现场指示器，使指针就地指示流量； 电远传型是在指针现场指示流量的同时由电转换器将流量值转换成4 2 0 m a 标 9 熙肛 一 黝 一 q 当 q - 。 矗 j 浙江大学硕士学位论文 准信号输出，可以与计算机联网，实现流量的远距离传输、显示、记录、调节、 计算和控制。下文将详细介绍电远传型智能金属浮予流量计的设计及h a r t 协 议在该智能金属浮子流量计中的应用。 1 3h a r t 协议概述 2 0 世纪7 0 年代中期，工业过程控制仪表发展成为统一的两线制4 2 0 m a 标准信号，促进了工业过程控制系统的发展。但是从8 0 年代开始，随着微电子 学的发展，大量含有微处理器的智能变送器、控制器和集散系统( d c s ) 得到了 普遍应用。现场设备与控制室自动化设备间需要传送的信息量也急剧增加。由于 原有的4 2 0 m a 模拟电流回路，只能在一根两芯电缆中单向传输一个参数，已 经不能适应这种要求，所以在现场设备和控制系统之间，迫切需要一种全数字化 的、双向、多变量的通信规程，来代替现有的4 2 0 m a 模拟传输方式。在这种 需求的推动下，随着计算机网络技术的不断进步，现场总线技术得到了迅速的发 展洲。 现场总线技术是将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自具 有了数值计算和数字通讯能力，采用可进行连接的双绞线等作为总线，把多个 测量控制仪表连接成的网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的 多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表和远程监控计算机之间，实现数据 的传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统( 闭。自8 0 年代末以 来，有几种现场总线技术己逐步形成其影响并在一些特定的应用领域显示了自 己的优势，具有各自的特点。以下简单介绍目前几种有影响的现场总线。 基金会现场总线( f f ，f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 是在过程自动化领域得到广 泛支持和具有良好前景的技术。其前身是以美国f i s h e r - - r o s e m o u n t 公司为首， 联合f o x b o r o 、横河、a b b 、西门子等8 0 家公司制定的i s p 协议和以h o n e y w e l l 公司为首，联合欧洲等地的1 5 0 家公司制定的w o r l df i p 协议，屈于用户的压 力，两大集团于1 9 9 4 年9 月合并，成立了现场总线基金会，致力于开发出国际 上统一的现场总线协议。由于这些公司是过程自动化领域自控设备的主要供应 商，对工业底层网络功能需求了解透彻，也具备足以左右该领域现场自控设备 1 0 r - 浙扛大学碗士学位论文 发展发现的能力，因而由它们所组成的基金会所颁布的现场总线规范具有一定 的权威性【7 3 1 基金会现场总线分低速h l 和高速h 2 两种通信速率。目前，f f 总线的应用领域以过程自动化为主，如：化工、电力厂实验系统、油田等行业l l “j p r o f i b u s 是德国国家标准d i n l 9 2 4 5 和欧洲标准e n 5 0 1 7 0 的现场总线标准。 由p r o f i b u s d p 。p r o f i b u s - f m s ，p r o f i b u s p a 组成了p r o f i b u s 系列。d p 型用于 分散外设间的高速数据传输，适合于加工自动化领域的应用。f m s 意为现场信息 规范，p r o f i b u s - f m s 适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。 而p a 型则是用于过程自动化的总线类型i s ”。 c a n 总线是控制局域网络c o n t r o la r e an e t w o r k 的简称，最早由德国b o s c h 公司推出，用于汽车内部测量于执行部件之间的数据通信。其总线规范己被i s o 国际标准组织制定为国际标准。由于得到了m o t o r o l a ，i n t e l ，p h i l i p ，s i m e n c e ， n e c 等公司的支持，它广泛应用在离散控制领域【嘲。通信速率最高可达 1 m b p s 4 0 0 m ，直接传输距离最远1 0 k m 5 k b p s ，具有较强的抗干扰能力【n 2 l 。 h a r t 是h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r 的缩写，最早于1 9 8 6 年由r o s e m o u n t 公司开发并得到八十多家著名仪表公司的支持，并于1 9 9 3 年成 立了h a r t 通信基金会向全世界发布，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数 字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产品，因而在当前 的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较快的发展【7 4 】，f 8 8 】。 在众多现场总线并存的局面下，作为一名准备应用现场总线技术产品的用 户，必须根据自己的要求，结合各种现场总线的特色，来选择合理的产品。在 流量计生产行业，考虑到传输信号的情况，要求传输信号是模拟量和数字量共 存，所以选择h a r t 总线。h a r t 协议是唯一向后兼容的智能仪表解决方案，即它 可以在提供现场总线的优越性的同时，保留对现有4 2 0 m a 系统的兼容性。而且 与模拟仪表相比，h a r t 智能仪表在成本不增加太大的前提下，具有易于调试维 护和更高的精度的优点f 8 0 】l 。 h a r t 协议的仪表是一种模拟与数字兼容的仪表，已经在全世界范围内获得 了良好的支持，许多世界级的过程自动化仪表及控制系统制造商都提供相应的 产品这些都使得h a r t 设备在技术支持方面减小了企业的风险，同时使得收益 最大化f 1 1 3 1 。 _ 0 浙江大学硕士学位论文 1 4 1 技术现状 1 4 研究内容与创新点 在传统的金属浮予流量计的设计中，金属浮子测量是采用接触式角度传感 器。其测量过程是：流体通过流量计测量管道，推动金属浮子上下移动，以磁 耦合的形式将浮子移动信息传递到外部指示器，指示器指针的旋转传递到机械 式角位移传感器轴上，带动与之相连的扰流片铁心，改变线圈中的感应电压， 输出与旋转角度成比例的电压、电流信号。由于采用的是机械式角度传感器， 使得传感器易发生磨损，从而导致在已经磨损的位置会出现信号的丢失。此外， 流体测量过程中还存在着较严重的非线性特性，即通过金属浮予的流量与传感 器输出电压间是非线性的，目前的非线性校正是采用电阻网络，其结构复杂， 而且通过调节电阻值进行非线性校正，调节也相当烦琐。 1 4 2 研究内容 本课题设计的智能金属浮子流量计主要采用以下四种方法： 1 、采用非接触式磁阻传感器替代现有的接触式角位移传感器测量，不 仅避免了接触式角位移传感器因磨损而发生信号丢失的现象，而且 具有高分辨率，低功耗，体积小的优点。对磁铁的温度系数不敏感， 对于冲击和振动不敏感，以及可以承受传感器和磁铁之间间隙较大 的变化。 2 、采用数字式非线性校正，简化了电路结构和程序设计。并且流量计 标定值直接存储在单片机f l a s h 中的信息段内，减少了外挂 e 2 p r o m 带来的额外电流消耗。 3 、整个系统采用低功耗设计，不仅在硬件器件的低功耗性能选择还是 硬件电路设计方面及软件设计方面都加以充分考虑，确保系统在工 作时满足二线卷l j 4 - 2 0 m a 输出系统所要求的系统整体电流功耗低于 4 m a 。 1 2 浙江大学硕士学位论文 4 、采用计算机软件实现流量计表盘的设计、金属浮子流量计的标定和 h a r t 协议的通信。 1 4 3 创新点 本课题的创新之处在于提供了一种非接触式角位移测量方法，获取流量 信号；采用数字式智能化非线性校正的技术；采用超低功耗单片机 m s p 4 3 0 f 1 4 9 、a d 4 2 1 器件实现二线制4 2 0 m a 输出的智能金属浮予流量计的 产品化设计；用m s p 4 3 0 f 1 4 9 及专用调制解调芯片h t 2 0 1 2 开发基于h a r t 协 议的智能金属浮子流量计。 0 浙江大学硕士学位论文 第二章流量信号的采集与预处理 2 1 磁阻传感器的选择 在传统的金属浮子流量计变送器的设计中，金属浮子测量是采用接触式角度 传感器，采用非接触式传感器即美国h o n e y w e l l 公司的高分辨率、低功耗磁阻传 感器h m c l 5 0 1 替代现有的接触式角位移传感器。h m c l 5 0 1 测量从磁铁发出的 磁场的方向角，分辨率可小于0 0 7 ，角度范围为- i - 4 5 。，表面8 脚贴片封装。 使用i - i m c l 5 0 1 传感器不仅避免了接触式角位移传感器因磨损而发生的信号丢失 的现象，而且具有高分辨率，低功耗，体积小的优点。而且对磁铁的温度系数不 敏感，对于冲击和振动不敏感，以及可以承受传感器和磁铁之间间隙较大的变化 【。 磁阻传感器的工作原理如图2 - 1 所示；h m c l 5 0 1 是有四个由镍铁合金制成 的磁阻搭成的桥路传感器。给传感器加上工作电压后，置于磁场中的每一片磁阻 的大小都会因为方向角e 的变换而变化，其变化关系是c o s 20 。其中e 指磁场方 向和电流方向的夹角1 3 1 1 。 尹7 尹 图 1 磁阻传感器 图2 - 2 为四个磁阻首尾相接组成的惠斯通电桥，r i = r 2 = r 3 = r 4 ，在空载条 件下，图中v 忙v - ，则输出量v = 0 ；当m 与i 方向的夹角e 发生变化时，r 1 和r 4 增加a r ，同时r 2 和l b 的阻值则相应减少a r ，此时的a v 0 ， a v = v , s s i n2 0 ，式中k 为传感器供电电压，s 是常数，取决于材质，典型值为 1 4 0 浙江大学硕士学位论文 1 2 m v n 。由上式可以计算出，当供电电压为5 v 时，此磁阻传感器能得到较大的 输出电压为1 2 0 m v 。值得一提的是工作时必须将h m c i s 0 1 置于强度8 0 高斯以 上的磁场 3 1 1 。 图2 - 2 惠斯通电桥 浮子流量计使用时必须安装在垂直的管道上，流向自上而下。当流体向上流 经管子时，浮子向上移动，在某一位置浮子所受升力与浮予重力达到平衡，此时 浮子与孔板( 或锥管) 间的流通环隙面积保持一定。环隙面积与浮子的上升高度 成比例，即浮子的某一高度代表流量的大小。浮子的位置由永久磁钢藕合传递给 指示器，在指示器指针的轴上安装一环型磁体，将装有磁阻传感器h m c l5 0 1 的 变送器电路板安装在紧