流量计系列产品
 
 

基于HART协议的智能式电磁流量计

发布时间:2017-09-06
 

针对仪表使用现状,介绍一种具有HART协议的智能式电磁流量计

。设计了以HART通信模块HT2012和AD7715、AD421为主要芯片的智

能电磁流量计的接口卡。
1、电磁流量计  
电磁流量计的基本原理是法拉第电磁感应定律,即导体在磁场中

切割磁力线运动时在其两端产生感应电动势。  
E=kBD v
式中E:感应电动势,B:磁感应强度,D:管道直径,v:流体平均速

度。流体的体积流量qv为:

电磁流量计分为流量传感器和转换器两部分。传感器包括测量管

,激磁线圈,电极等,将流量信号转换为感应电势,由电极引出

;转换器将E转换为标准信号输出,以便进行计数测量。 
电磁流量计的测量优点很多,(1)它的测量管是光滑直管,不易阻

塞,适用于测量含有固体颗粒或纤维的液固两相流体,如纸浆、

煤水浆、矿浆、泥浆和污水等;(2)它的压力损失小,且前置直管

段要求较低;(3)输出线性,且其体积流量不受流体密度、粘度、

温度、压力和导电率变化的影响,抗干扰能力强;(4)测量范围
大,量程比大,通常可达20∶1~50∶1;(5)测量口径范围宽,从

几mm到3m,可测正反双向流量,也可测脉动流量。但它不能测电

导率低的液体,不能测气体、蒸汽和含有较多较大气泡的液体的

流量,如石油制品,有机溶剂等。   
智能化的电磁流量计是数字信号和模拟信号混合的变送器,在普

通电磁流量计的基础上结合HART通信协议,可以实现流量仪表智

能化,适应现场总线控制系统的要求。 
2、HART协议
HART(High Addressable Remote Transducer可寻址远程传感器高

速通道)通信协议是一种过渡性协议,它参照“ISO/OSI”的模型

标准,简化并引用其中三层,即物理层,数据链路层和应用层制

定而成;采用FSK(频移键控)技术,在一条电缆线上同时传输4~

20mADC的模拟信号和数字信号,使模拟信号和数字双向通讯能同

时进行,互不干扰。如图1,在4~20mADC基础上叠加幅度为

±0.5mA的不同频率的正弦调制波作为数字信号,1200Hz频率代表

逻辑“1”,2200Hz代表逻辑“0”。其传送速率为1200bit/s。 

HART通信可以有点对点或多点连接模式。传输介质一般为双缆线

;当传输线路较长时,可用屏蔽双绞线。HT2012是专门为HART产

品而设计生产的,具有价格便宜、功耗低的特点。它包括调制器

、解调器、载波监测电路和时基电路,如图2时基电路外接

460.8kHz的振荡频率信号,调制器将由ITXD引脚输入的数字信号

调制成FSK信号,从OXTA端输出;解调器将从IRXA引脚输入的FSK

信号解调成数字信号,由ORXD端输出。调制器和解调器的工作受

INRTS端输入电平的控制,INRTS端子与CPU的I/O口相连,可以由

CPU来控制调制器和解调器的工作状态,其通信为半双工方式。当

INRTS输入为低电平“0”时,调制器工作,解调器输出不定;当

INRTS端输入为高电平“1”时,解调器工作,调制器呈高阻状态


HART协议通信电路由CPU、数模转换器AD421、HART通信模块

HT2012、波形整形电路和带通滤波器组成。CPU输出的与被测参数

成比例的数字信号,经AD421转换为4~20mA电流输出。同时,需

进行数字通信的二进制数字信号由串行口发送端RX输出至HT2012

调制为FSK信号,再经波形整形电路送至AD421,叠加到4~20mA直

流信号上。

3、AD7715和AD421
AD7715是一种带有模拟前置放大器的A/D转换芯片,是一种用于低

频测量的芯片,它可直接接受电磁流量计的直流低电平输入信号

并输出串行数字信号。该芯片采用Σ-△转换技术,具有16位的高

精度模数转换特性,有良好的抗干扰性,有自校准和系统校准的

功能,可以消除零点误差,满量程误差和温度漂移的影响AD7715

的模拟输入为差动方式,有单极性和双极性输入,信号范围可选

。前置放大器有1、2、32、128四种增益可选,有4个片内寄存器

,对它的编程可以实现增益选择、信号极性、输出数据速率、自
动校准和AD转换等功能。这里用AD7715作为模数转换芯片。
AD421是一种16位串行输入、4~20mADC电流输出的数模转换器,

非线形误差小于±0.01%。主要由数模转换器,电流转换器和电流

调整器组成。AD421的电流输出有正常和报警两种模式。正常模式

对应4~20mADC输出,报警模式输出电流扩展为3.5~20mADC。电

压调整器由运放能隙基准和外接耗尽型场效应管构成。电压调整

器从电流回路中获取电流,并给AD421及其他器件提供工作电流。

在此设计中,选择AD421作为数模转换芯片,它可以为其他芯片提

供工作电压,还可以将CPU输入的数字信号转换为4~20mADC电流

输出,并将数字信号叠加在4~20mADC电流上一起输出
4、智能式电磁流量计
图3为采用HART通信技术的智能式电磁流量计的原理框图,整个系

统由电磁流量计、CPU、AD7715、AD421和HT2012通信部分组成。

CPU采用MCS251微处理器。流量信号qv经电磁流量计转换后,输出

的0~5V电压信号加在AD7715的输入端上,经过AD7715转换为数字

信号实现A/D采样;AD7715采用三线串行口与CPU相连。HART通信

部分由HT2012、带通滤波器和输出波形整形电路等组成。AD421及

电压调整电路,将CPU输出的数字信号转换为4~20mADC电流信号

,作为整机输出,实现D/A转换。另外,由HART通信模块输出的经

过整形后的FSK信号,也经AD421一起叠加输出,实现数字信号和

模拟信号同时输出。AD421自带的电压调整电路可将变送器的24V

供电电压转换成稳定的5V电压,给CPU、A/D、D/A等芯片供电。系

统还配备了WDT监控电路,和电磁流量计的励磁电路。

该系统的软件有测控程序和通信程序。测控程序包括A/D采样程序

、量程转换程序、非线性补偿程序、D/A 转换程序等;通信程序

包括实现HART协议数据链路层和应用层的软件。