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            智能旋進旋渦流量計經電路重新設計有效解決了輸出的穩定性問題

            作者: 來源: 發布時間:2018-03-21 10:23:07

            摘 要: 旋進旋渦流量計的兩線制 4 ~ 20m A 輸出的穩定性問題直接關系儀表的精度以及與 DCS 系統的連接,通過提出一種基于以 Upc151 為數模轉換器( DAC) 的 4 ~ 20m A 電流環路輸出電路,有效解決了輸出的穩定性問題,通過實證研究說明該電路和 DCS 系統的連接也非常可靠.
              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傳感器入口時,在漩渦發生體的作用下,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,zui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、壓力數據) .
              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下( P = 101. 325k Pa,T = 293. 15K) 的體積流量. 隨著科技發展,旋進漩渦流量計已由非智能型發展到智能型,功能進一步完善,穩定性也進一步加強.

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            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計量現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象發生. 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. 而穩定性是儀表設計中首要應考慮的問題. 因為工業實際現場多為環境惡劣,對可靠性、穩定性要求非常高.

            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定性問題,設計了一種通過串行輸入 4 ~ 20m A 電流環路輸出電路,數模轉換器采用日本 NEC 公司 Upc151,16 位數字信號以串行方式輸入,經數模轉換后以 4 ~20m A 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 4 ~20m A 模擬通信和在 HART 協議下的數字信號通信.
              Upc151 是日本 NEC 公司推出的一種單片高性能數模轉換器( DAC) . 是一種穩定性高,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 采用工業標準 8 腳封裝,引腳排列圖如圖 1 所示.Upc151 由電流環路供電,16 位數字信號以串行方式輸入,4 ~ 20m A 電流輸出,可實現低成本的遠程智能工業控制. 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 協議的電路完全兼容. 4 ~ 20m A 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 1 m V;
            ( 2) 輸入電壓范圍( 典型值) : 寬輸入失調電流 ± 20 n A 時,不會發生閉鎖;
            ( 3) 具有 80 n A 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,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) .

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            2、電流環路輸出電路設計及電路特點:
            2. 1、電流環路輸出電路硬件設計:
              串行輸入 4 ~ 20m A 電流環路輸出數模轉換器,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是與數字化的測量信號值相關聯的,數模轉換器采用日本 NEC 公司 Upc151,16 位數字信號以串行方式輸入,經數模轉換后以 4 ~ 20m A 電流形式輸出. 具體電路如圖3 所示.

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            圖3 電流環路兩線制輸出電路

            2. 2、電流環路輸出電路軟件設計:
            PWM 計算,輸出:void Pwm Out( float f1){float Pwm,i,k,j;unsigned int PWM;k = Pmax + Mp1. AH* Ki;i = Mp1. AL* Ki;
            j = ( f1 - Mp1. Fo) / ( Mp1. Fs - Mp1. Fo) ; / / 與限值比較if( j < 0)j = 0;if( j > 1)j = 1;Pwm = j* k;j = Pwm* 0. 8 + k* 0. 2 + i;if( Mp1. U = = 1){Pwm = j;}else{Pwm = Pwm + 1;PWM = ( unsignedint) Pwm;}}

            2.3、電流環路輸出電路特點:
              串行輸入 4 ~ 20m A 電流環路兩線制輸出是模擬量串口中較先進的輸出方式,在實際使用中的zui大優點是低阻抗傳輸線對電氣噪聲不敏感,而且易實現光電隔離,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小; 電流源內阻很大,導線電阻串聯在回路中不影響測量精度,在普通雙絞線上可以傳輸數百米. 上限取 20m A 是因為防爆的要求,20m A 的電流通斷引起的火花能量不足以引燃瓦斯,不會發生爆炸.

            3、結語:
              工業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到幾百米外的控制室或顯示設備上. 由于串行輸入 4 ~ 20m A 電流環路輸出電路的抗干擾性能,傳輸長度長,信號穩定性好,易于實現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定性問題,經投入市場使用,效果較好.

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