智能旋進漩渦流量計是集流量、溫度、壓力檢測功能于一體的新一代流量計。智能旋進漩渦流量計的測量原理是當沿著軸向的流體流經(jīng)傳感器入口時，在漩渦發(fā)生體的作用下，被強制圍繞中心線旋轉，產生漩渦流，漩渦流在文丘利管中旋進，到達收縮段突然節(jié)流后，使漩渦流加速；當通過擴散段時，漩渦中心沿一錐形螺旋線進動。此時，漩渦中心通過檢測點的進動頻率與流體的流速成正比。由壓電傳感器檢測到的漩渦流進動頻率信號經(jīng)放大、濾波、整形后轉換成流量值進行就地顯示或信號選擇。信號經(jīng)前置放大器放大、濾波、整形轉換為與流速成正比的脈沖信號，然后再與溫度、壓力等檢測信號一起被送往微處理器進行積算處理，最后在液晶顯示屏上顯示出測量結果（瞬時流量、累積流量及溫度、壓力數(shù)據(jù)）。

    旋進漩渦流量計的結構特點：對于氣體的計量，由于其密度受溫度、壓力的影響較大，為了能準確計量氣體介質的體積流量，必須同時跟蹤檢測介質的溫度和壓力，并將不同工況下的氣體流量轉換成標準狀態(tài)下（P=101.325kPa，T=293.15K）的體積流量。隨著科技發(fā)展，旋進漩渦流量計已由非智能型發(fā)展到智能型，功能進一步，穩(wěn)定性也進一步加強。

    1 旋進漩渦流量計目前存在問題及解決方案

    1.1 目前存在問題

    （1）截止頻率的設定。設置截止頻率是由用戶根據(jù)計量現(xiàn)場的生產變化情況自行確定儀表的始動流量。如果截止頻率設定的太高，那么儀表的始動流量相應增大，為此就可能造成流量的漏計現(xiàn)象發(fā)生。如果截止頻率設置太低，那么儀表的敏感程度相應提高，外界的一些微弱振動或雜散信號就可能導致在沒有被測介質通過的情況下儀表開始動作，于是流量的多計現(xiàn)象就不可避免。

    （2）對噪聲或振動等干擾信號較為敏感。如果在靠近測量儀表的附近存在著較強的磁場或在儀表測量端的上游存在明顯的噪聲擾動，那么儀表的運行將受到一定程度的影響。

    （3）兩線制輸出的寬電壓適應能力及穩(wěn)定性問題。電源接反、超壓、浪涌是電源常見問題，應有效克服。而穩(wěn)定性是儀表設計中首要應考慮的問題。因為工業(yè)實際現(xiàn)場多為環(huán)境惡劣，對可靠性、穩(wěn)定性要求非常高。

    1.2 解決方案

    截止頻率的設定問題通過量程比的合理設定可得到解決，噪聲干擾問題可通過如下兩種方式解決：（1）儀表安裝位置盡量選在無管道振動或振動小的位置，振動加速度不能大于2g，如振動大則需采取減振措施；（2）傳感器的上游和下游必須有足夠的直管段。

    而針對兩線制輸出的寬電壓適應能力及穩(wěn)定性問題，設計了一種通過串行輸入4～20mA電流環(huán)路輸出電路，數(shù)模轉換器采用日本NEC公司Upc151，16位數(shù)字信號以串行方式輸入，經(jīng)數(shù)模轉換后以4～20mA電流形式輸出。它非常適用于智能變送器的設計，在主控設備與智能變送器之間可同時實現(xiàn)4～20mA模擬通信和在HART協(xié)議下的數(shù)字信號通信。

    Upc151是日本NEC公司推出的一種單片高性能數(shù)模轉換器（DAC）。是一種穩(wěn)定性高，寬輸入電壓范圍，并不需要相位校正電路的運算放大器電路。可實現(xiàn)輸出短路保護，自動調整偏差，可以使用廣泛的不同類型的反饋放大器電路，進行電路比較。

    Upc151采用工業(yè)標準8腳封裝，引腳排列圖如圖1所示。

    Upc151由電流環(huán)路供電，16位數(shù)字信號以串行方式輸入，4～20mA電流輸出，可實現(xiàn)低成本的遠程智能工業(yè)控制。Upc151內部含有電壓調整器可提供+5V，+3.3V輸出電壓，還含有+2.5V基準電源，均可為其自身或其他選用。Upc151與標準HART電路或其他類似FSK協(xié)議的電路兼容。4～20mA串行接口可在10Mbps下運行，便于與通用微處理器相連。

    Upc151特點：

    （1）具有頻率補償特性（典型值）：±輸入失調電壓為1mV；

    （2）輸入電壓范圍（典型值）：寬輸入失調電流±20nA時，不會發(fā)生閉鎖；

    （3）具有80nA的輸入偏置電流偏置調整（典型值）；

    （4）具有內置的輸出短路保護電路；

    （5）電壓的反向連接可以造成破壞；

    （6）加到輸入端的輸入電壓范圍，不能超過額定值，甚至是短暫的狀態(tài)，如電源ON/OFF；

    （7）運算放大器的正常運作輸入電壓范圍：+2V～+5±0.5V（典型值）。

    本轉換電路中核心器件Upc151引腳及等效電路如圖2、圖3所示。


    2 電流環(huán)路輸出電路設計及電路特點

    2.1 電流環(huán)路輸出電路硬件設計

    串行輸入4～20mA電流環(huán)路輸出數(shù)模轉換器，即通過設置讓單片機MSP430F149的一個I/0輸出端口作為PWM信號的輸出端，在一個周期T內，通過軟件方式使I/0輸出端口產生一個開啟和關閉的PWM信號。它的脈沖寬度tp是與數(shù)字化的測量信號值相關聯(lián)的，數(shù)模轉換器采用日本NEC公司Upc151，16位數(shù)字信號以串行方式輸入，經(jīng)數(shù)模轉換后以4～20mA電流形式輸出.具體電路如圖4所示。

圖4 電流環(huán)路兩線制輸出電路

    2.2 電流環(huán)路輸出電路軟件設計

2.3 電流環(huán)路輸出電路特點

    串行輸入4～20mA電流環(huán)路兩線制輸出是模擬量串口中較的輸出方式，在實際使用中的是低阻抗傳輸線對電氣噪聲不敏感，而且易實現(xiàn)光電隔離，且傳輸距離很長.此外由于電流源輸出電阻很大，使感應到導線環(huán)路內的電壓對信號產生的影響比較小，所以使用雙絞線就能降低干擾；并且傳輸信號受寄生熱電偶和溫漂的影響?。浑娏髟磧茸韬艽?，導線電阻串聯(lián)在回路中不影響測量精度，在普通雙絞線上可以傳輸數(shù)百米。上限取20mA是因為防爆的要求，20mA的電流通斷引起的火花能量不足以引燃瓦斯，不會發(fā)生爆炸。

   工業(yè)上測量的各類非電物理量，例如溫度、壓力、速度、流量等，都需要轉換成模擬量電信號才能傳輸?shù)綆装倜淄獾目刂剖一蝻@示設備上.由于串行輸入4～20mA電流環(huán)路輸出電路的抗干擾性能，傳輸長度長，信號穩(wěn)定性好，易于實現(xiàn)防雷防爆等特點滿足了旋進旋渦流量計信號輸出的要求，有效解決了兩線制輸出的寬電壓適應能力及穩(wěn)定性問題，經(jīng)投入市場使用，效果較好。