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现场总线的智能电磁流量计转换器的实现

  随着工业的发展,电磁流量计因其无污染性成为目前国内市场运用得较多的一种流量仪表。智能化是电磁流量计的发展趋势。相对来说,我国在这一产品的开发上起步较晚。1999年4月,笔者有幸来到上海自动化仪表研究所,参与了该所承接的现场总线的智能电磁流量计的研究、开发和工程化这一课题的工作。可以说,这一课题的开发将有力推动我国智能电磁流量计产品的发展,大大缩小与国外同类产品的差距。
1 电磁流量计的工作原理及组成 
  电磁流量计的工作原理为法拉第电磁感应定律。导电液体在磁场中流动切割磁力线,产生感应电势。表达式为:
E=KBLv式中,B为磁感应强度;L为测量电极之间的距离;v为被测流体在磁场中运动的平均速度;K为比例常数。
  电磁流量计主要由变送器(又称一次装置、检出器或传感器)和转换器(又称二次装置或变换器)及流量显示仪表三部分组成。变送器把流过的被测液体的流量转换为相应的感应电势。转换器的作用是把电磁流量变送器输出的和流量成比例的毫伏级电压信号放大并转换成为可被工业仪表接收的标准直流电流、电压或脉冲信号输出,以便与仪表及调节器配合,实现流量的指示、记录和运算。
  本文主要讨论的是如何实现电磁流量计转换器的智能化,以及转换器与HART通信协议的接口实现。传统的电磁流量计一旦开机后,能自动进行连续不断的测量,但外界无法控制其运行情况,它只能按生产时规定的运行方式运行,因此功能比较单一,运行比较死板,无法满足现代测量灵活实时的要求。所谓电磁流量计的智能化,就是流量计开机后,能按照程序规定的模式进行测量,并且在运行过程中,能接受外界的意图,根据外界的命令随时作出相应的调整,因此智能化的电磁流量计功能较齐全,并能由人为控制,运行相当灵活。例如,当电磁流量计以30 Hz的励磁频率进行测量时,测量人员根据流量的实际情况,想把励磁频率改为60 Hz,他就可以根据产品说明书,按下电磁流量计的某个按钮,以使仪表按照他的意图作出改变,而传统的流量计是无法做到这一点的。当然,这种智能化的实现是建立在单片机系统上的。而所谓的HART协议其目的是在智能化的基础上将各种类型仪表统一起来,同一指令能控制多种仪表,使各仪表能彼此联系,协调工作。
2 智能电磁流量计的主要功能和设计思路 
  本项目中要求智能电磁流量计转换器所实现的主要功能有:
  ① A/D采样,每隔1/12 s采样一次;
  ② D/A转换,输出4~20 mA电流;
  ③ 产生电磁流量计必需的2路相位相反、频率相同的励磁方波信号,要求频率为30 Hz和60 Hz两种;
  ④ 产生对2路励磁方波信号高电平接近下降沿的20 ms脉冲采样信号;
  ⑤ 液晶显示,显示流量结果、检测状态(空/满管状态、正/反流量)、设置参数和自诊断结果等等;
  ⑥ 键盘管理,设置3个按键,对键盘动作进行处理;
  ⑦ 脉冲量输出,将流量结果转换成0~1 000 Hz范围内的脉冲信号输出;
  ⑧ 兼容HART协议,对手持式通信器发出的命令作出反应;
  ⑨ 流量状态检测/输出,检测管道为空管或满管,流量方向为正向或反向,并输出相应的开关量等等。


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