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溫壓補(bǔ)償一體化渦街流量計(jì)

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蘇州華陸儀器儀表有限公司

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溫壓補(bǔ)償一體化渦街流量計(jì)不僅具有普通儀表的量程、零點(diǎn)、單位轉(zhuǎn)換等功能外，而且*符合HART協(xié)議的要求，可與上二位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，由上位機(jī)遠(yuǎn)程讀取瞬時(shí)流量、累積流量等參數(shù)，或?qū)α砍獭⒘泓c(diǎn)、單位等進(jìn)行設(shè)置，便于實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)，由于引入了溫度、壓力信號(hào)的補(bǔ)償，渦街流量計(jì)的測(cè)量精度大為提高。

詳細(xì)介紹

溫壓補(bǔ)償一體化渦街流量計(jì)主要用于工業(yè)管道介質(zhì)流體的流量測(cè)量,如氣體、液體、蒸氣等多種介質(zhì),溫壓補(bǔ)償一體化渦街流量計(jì)特點(diǎn)是壓力損失小,量程范圍大,精度高,在測(cè)量工況體積流量時(shí)幾乎不受流體密度、壓力、溫度、粘度等參數(shù)的影響；無(wú)可動(dòng)機(jī)械零件，因此可靠性高,維護(hù)量?。?span style="white-space:normal;">溫壓補(bǔ)償一體化渦街流量計(jì)參數(shù)能長(zhǎng)期穩(wěn)定。溫壓補(bǔ)償一體化渦街流量計(jì)采用壓電應(yīng)力式傳感器,可靠性高，可在-20℃～+350℃的工作溫度范圍內(nèi)工作，有模擬標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),也有數(shù)字脈沖信號(hào)輸出，容易與計(jì)算機(jī)等數(shù)字系統(tǒng)配套使用,是一種比較*、理想的流量?jī)x表。

主要特點(diǎn)：

?精度較高，液體測(cè)量精度為±1.0%；氣體測(cè)量精度為±1.5%
?壓損小，約為孔板流量計(jì)的1/4，屬于節(jié)能流量?jī)x表
?安裝方式靈活，可水平，垂直和不同角度傾斜安裝
?采用消擾電路和抗震動(dòng)傳感頭，具有一定抗壞境震動(dòng)性能
?無(wú)可動(dòng)部件，儀表壽命長(zhǎng)

技術(shù)參數(shù)：

儀表型號(hào)	HLLU-N	HLLU-A	HLLU-B	HLLU- C	HLLU- D1/D2
信號(hào)輸出	脈沖	4-20mA	無(wú)	4-20mA	可選4-20mA或脈沖
供電電源	24VDC±15%	24VDC±15%	鋰電池	24VDC±15%	24VDC±15%和鋰電池
通訊接口	無(wú)	無(wú)	無(wú)	可選RS485	可選RS485
精度等級(jí)	液體：1.0級(jí) 氣體：1.0級(jí) 蒸汽：1.5級(jí)		液體：1.0級(jí) 氣體：1.0級(jí) 蒸汽：1.5級(jí)		液體：1.0級(jí) 氣體：1.0級(jí) 蒸汽：1.5級(jí)
顯示器	無(wú)		有		有
儀表材質(zhì)	304SS		304SS		304SS
防爆等級(jí)	可選ExiaIICT5或ExdIIBT6		可選ExiaIICT5或ExdIIBT6		可選ExiaIICT5或ExdIIBT6
防護(hù)等級(jí)	IP65		IP65		IP65
整機(jī)功耗	＜1W		＜1W		＜1W
儀表通經(jīng)	DN15~DN300		DN15~DN300		DN15~DN300
安裝方式	法蘭夾持或一體化法蘭連接		法蘭夾持或一體化法蘭連接		法蘭夾持或一體化法蘭連接
耐壓等級(jí)	可選1.6MPa或2.5MPa		可選1.6MPa或2.5MPa		可選1.6MPa或2.5MPa
介質(zhì)溫度	-40℃~250℃、-40℃~350℃		-40℃~250℃、-40℃~350℃		-40℃~250℃、-40℃~350℃
環(huán)境溫度	-20℃~60℃		-20℃~60℃		-20℃~60℃

流量范圍：

儀表口徑（mm)	液體流量范圍(m3/h)	氣體流量范圍(m3/h)
15	1.2-6.2	2.8-12
20	1.5-10	6-30
25	1.6～16	8.8-55
40	2～40	25～205
50	3～60	35～350
80	6.5～130	86～1100
100	15～220	133～1700
150	30～450	347～4000
200	45～800	560～8000
250	65～1250	890～11000
300	95～2000	1360～18000
(300)	100～1500	1560～15600
(400)	180～3000	2750～27000
(500)	300～4500	4300～43000
(600)	450～6500	6100～61000
(800)	750～10000	11000～110000
(1000)	1200～1700	17000～170000
>(1000)	協(xié)議	協(xié)議

注：表中（300）—（1000）口徑為插入式。

溫壓補(bǔ)償一體化渦街流量計(jì)的設(shè)計(jì)：

渦街流量計(jì)的應(yīng)用是80年代興起的一種測(cè)量技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)在于量程范圍寬、維護(hù)簡(jiǎn)單、介質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)等。目前，它在蒸汽和其它氣體測(cè)量中逐步取代其它類型的流量計(jì)，得到廣泛應(yīng)用。HART（Highway Addressable Remote Transducer）協(xié)議是美國(guó)Rosemout公司于80年代提出的一種用于現(xiàn)場(chǎng)智能儀表和控制室設(shè)備通訊的協(xié)議，它具有兼容4~20mA模擬信號(hào)與數(shù)字通信的性質(zhì)。本文所設(shè)計(jì)的流量計(jì)是在現(xiàn)有渦街流量計(jì)的基礎(chǔ)上，加入溫度和壓力參數(shù)的測(cè)量，并將HART通訊協(xié)議引入流量計(jì)中，設(shè)計(jì)出集溫度、壓力、流量測(cè)量于一體的帶有HART協(xié)議的溫壓補(bǔ)償型渦街流量計(jì)。經(jīng)研究表明，這種渦街流量計(jì)不僅具有溫壓補(bǔ)償功能，而且實(shí)現(xiàn)了與上位機(jī)的遠(yuǎn)程操作，具有廣闊的發(fā)展前景。
2 流量測(cè)量原理及溫壓補(bǔ)償
2.1 流量測(cè)量原理
渦街流量傳感器是依據(jù)卡門渦街原理制成的，即在充滿流體的管道中垂直于流體的流向上插入非線性物體（即旋渦發(fā)生體），當(dāng)流體的流速達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，在旋渦發(fā)生體兩側(cè)會(huì)交替釋放出兩列規(guī)則排列的旋渦，單列旋渦的頻率f與被測(cè)流體的平均流速v存在如下的關(guān)系式[1]：
f= St（V1/d）（1）
式中，f— 單列旋渦頻率，Hz
d— 旋渦發(fā)生體迎流面的大寬度，m
V1— 旋渦發(fā)生體兩側(cè)平均流速，m/s
St— 斯特勞哈爾數(shù)，無(wú)量綱
當(dāng)雷諾數(shù)Re在2×104~7×106的范圍內(nèi)，旋渦發(fā)生體和管徑足寸確定后，St值為常數(shù)。由此可知，單列旋渦頻率和流體體積流量成正比，只要用傳感器檢測(cè)出旋渦頻率f的數(shù)值，就可準(zhǔn)確地確定流量的大小。
2 溫壓補(bǔ)償
對(duì)于氣體質(zhì)量流量的測(cè)量，由于易受溫度、壓力的影響使其偏離理想的工作狀態(tài)，從而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生較大誤差。因此，為了提高精度，在本設(shè)計(jì)中增設(shè)溫度和壓力傳感器，對(duì)氣體質(zhì)量流量的測(cè)量進(jìn)行溫壓補(bǔ)償，下面以過熱蒸汽為例，介紹溫壓補(bǔ)償方法的實(shí)現(xiàn)。
對(duì)于過熱蒸汽的密度計(jì)算，通常采取如下兩種方法：
ρ=AP/（BT + CP + D）（2）
ρ=[a（t + 273.15）/（bP + c）+ dT-e）]-1 （3）
式中，T— 過熱蒸汽的溫度，℃
P— 過熱蒸汽的壓力，MPa
A=201.3017 B=1 C=-1.557327 D=244.6104
a=0.00471 b=10.197 c=1.0336 d=1.32×10-5 e =0.0097
由于這兩個(gè)公式對(duì)于某些點(diǎn)的測(cè)量精度不夠高，所以為了提高計(jì)量的準(zhǔn)確度，在式（2）或式（3）的基礎(chǔ)上加入一個(gè)修正項(xiàng)ρ2（P，T），即
ρ2（P，T）=ρ1（P，T）+ρ2（P，T）（4）
其中，ρ2（P，T）可由下式求得：
ρ2（P，T）=A0（P）+A1（P）（T-100）+A2（P）（T-100）2 （5）
A0（P）=a00 + a01P + a02P2 （6）
A1（P）=a10 + a11P + a12P2 （7）
A2（P）=a20 + a21P + a22P2 （8）
式中，a00=-1.2731×10-2 a01=8.6967×10-2 a[02]=0.41105 a10=-5.2032×10-6 a11=9.7009×10-4 a12=-3.2285×10-3 a20=5.7813×10-8 a21=2.5515×10-6 a22=6.6671×10-6
利用此公式所得到的過熱蒸汽密度值，其補(bǔ)償精度很高。同理，對(duì)于其它類型的氣體，也可以采用其相對(duì)應(yīng)的密度補(bǔ)償公式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)質(zhì)量流量測(cè)量的溫壓補(bǔ)償。
3 基于HART協(xié)議的溫壓補(bǔ)償型渦街流量計(jì)的硬件設(shè)計(jì)
帶有HART通訊協(xié)議功能的溫壓補(bǔ)償型渦街流量計(jì)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示，電路采取模塊化設(shè)計(jì)，主要包含了傳感器模塊、MCU模塊、HART通訊模塊和顯示模塊四個(gè)部分。
首先，由傳感器模塊測(cè)得的頻率信號(hào)經(jīng)放大、濾波、整形后送入單片機(jī)進(jìn)行線形化處理、量程轉(zhuǎn)換、累計(jì)流量計(jì)算和單位轉(zhuǎn)換等。如果測(cè)量介質(zhì)是氣體，還需要通過A/D采樣得到溫度和壓力值，根據(jù)密度補(bǔ)償模型計(jì)算出質(zhì)量流量，然后，經(jīng)過溫壓補(bǔ)償后的流量信號(hào)通過HART通訊模塊實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的遠(yuǎn)程通訊。
3.1 HART通訊模塊設(shè)計(jì)
HART通訊模塊部分主要由D/A轉(zhuǎn)換器和Bell202 M0DEM及其附屬電路來(lái)實(shí)現(xiàn)[3]，部分電路連接如圖2所示。
D/A轉(zhuǎn)換器采用AD421，它是美國(guó)ADI公司推出的一種單片高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換器，由環(huán)路供電，16位數(shù)字信號(hào)以串行方式輸入，可以將數(shù)字信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成4~20mA電流輸出，采用16引腳DIP、TSSOP、SOIC封裝，AD421除了能進(jìn)行串行16位D/A轉(zhuǎn)換外，還提供可選擇的（5V、3.3V或3V）穩(wěn)壓輸出以供電路其它部分的用電。
HARTMODEM采用Smar公的HT2012芯片，它是符合Bell202通訊標(biāo)準(zhǔn)的半雙工調(diào)制解稠器，采用16腳DIP和28腳PLCC封裝。它一方而與MCU的異步串口進(jìn)行串行通訊，另一方面將輸入的不歸零制的數(shù)字信號(hào)調(diào)制成1200Hz（邏輯1）和2200Hz（邏輯0）的FSK信號(hào)，經(jīng)過AD421疊加在4~20mA回路上輸出，或者將回路信號(hào)經(jīng)放大整形、帶通濾波后取出FSK信號(hào)，再將其解調(diào)為數(shù)字信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)HART通訊。
附屬電路主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的濾波整形，由帶通濾波器和方波整形電路組成，其中，方波整形電路將HT2012輸出的電壓信號(hào)整形為方波，產(chǎn)生數(shù)字電路所要求的陡峭的上升沿和下降沿，然后通過電容耦合到AD421的C3端口，帶通濾波器由兩片低功耗運(yùn)算放大器及電阻、電容組成，其通帶頻率大約950~2550Hz。它將4~20mA環(huán)路上±0.5mAHART電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)過HT2012解調(diào)再送入單片機(jī)串行通訊接口，完成數(shù)據(jù)接收任務(wù)。
3.2 低功耗設(shè)計(jì)
由于本流量計(jì)采用電源線和信號(hào)線復(fù)用的兩線制方式，其電路消耗的電流加上0.5mA的HART正弦調(diào)制波信號(hào)電流不得超過4mA的回路電流，即系統(tǒng)功耗必須小于3.5mA，這里采用了純硬件的方法來(lái)降低功耗。
經(jīng)過多方面選擇和比較、所選用的A/D、D/A、EEPROM、液晶顯示器件以及頻率信號(hào)放大電路這幾部分的電流之和不超過2.2mA，MCU選用了以低功耗為特征的MICROCHIP公司的PIC16F877芯片，它在1.8432MHz下工作電流小于0.8mA，壓力和溫度測(cè)量電路部分則采用0.5mA的恒流源串聯(lián)供電，這樣整個(gè)系統(tǒng)的電流不超過3.5mA，*符合HART協(xié)議的要求，可在此基礎(chǔ)上疊加HART信號(hào)，保證總電流會(huì)超過4mA。
4 基于HART協(xié)議的多變量渦街流量計(jì)的軟件設(shè)計(jì)
此流量計(jì)的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、測(cè)控程序和HART通訊程序三部分組成，主程序主要完成上電復(fù)位后對(duì)I/O口、定時(shí)器、異步串行口以及一些參數(shù)的初始化工作，并在主循環(huán)中等待響應(yīng)中斷，測(cè)控程序和HART通訊程序均采用中斷程序設(shè)計(jì)，以保證準(zhǔn)確測(cè)量和實(shí)時(shí)通訊，測(cè)控程序主要包括A/D采樣、流量計(jì)算、溫壓補(bǔ)償及鍵盤和LCD示程序等。
HART通訊程序亦即HART協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的軟件實(shí)現(xiàn)，是HART多變量渦街流量計(jì)的設(shè)重點(diǎn)，HART協(xié)議通過MCU的串行口采用主從方式進(jìn)行通訊。流量計(jì)在上位機(jī)詢問時(shí)發(fā)出應(yīng)答信號(hào)，通過HT2012實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，先由上位機(jī)發(fā)送命令幀格式，渦街流量計(jì)由串行口中斷接收到命令幀后，由MCU作相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，然后將處理過的數(shù)據(jù)整理后作為應(yīng)答幀的內(nèi)容放入發(fā)送緩沖區(qū)，再由MCU觸發(fā)發(fā)送中斷，發(fā)出應(yīng)答幀，從而完成一次命令的交換。接收數(shù)據(jù)時(shí)，若該流量計(jì)檢測(cè)到數(shù)據(jù)有錯(cuò)，則等到上位機(jī)命令幀發(fā)送完以后，它發(fā)出置有相應(yīng)錯(cuò)誤狀態(tài)位的應(yīng)答幀、告知上位機(jī)數(shù)據(jù)接收有誤，上位機(jī)接收該應(yīng)答幀后，則重發(fā)命令幀，從而保證通訊的準(zhǔn)確無(wú)誤。
5 結(jié)束語(yǔ)
本文所介紹的溫壓補(bǔ)償型渦街流量計(jì)不僅具有普通儀表的量程、零點(diǎn)、單位轉(zhuǎn)換等功能外，而且*符合HART協(xié)議的要求，可與上二位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，由上位機(jī)遠(yuǎn)程讀取瞬時(shí)流量、累積流量等參數(shù)，或?qū)α砍?、零點(diǎn)、單位等進(jìn)行設(shè)置，便于實(shí)時(shí)監(jiān)控。，同時(shí)，由于引入了溫度、壓力信號(hào)的補(bǔ)償，渦街流量計(jì)的測(cè)量精度大為提高，因此，這種帶有HART協(xié)議的溫壓補(bǔ)償型渦街流量計(jì)在國(guó)內(nèi)必將具有良好的發(fā)展前景。