基于HART协议的新型智能气体涡街流量变送器设计

　　1　变送器整体结构

　　涡街流量计具有结构简单,稳定性好,量程范围宽等优点,应用日益广泛,尤其适合蒸气、燃气等气体流量计量。开发具有通信功能的智能涡街流量变送器,可增强其功能,适应网络化监控的需要。基于HART协议的新型智能气体涡街流量变送器结构如图1所示,主要由信号检测电路、单片机系统、通信模块和其他功能电路,如电源模块、显示模块等组成。信号检测电路完成流量等现场信号检测与预处理功能,提供单片机系统可接受的信号。通信模块提供变送器跟现场总线的接口,将单片机输出的数字信号转换成HART信号送到电流环路上,并接收环路上的HART信号,将其转换成数字信号送单片机处理。单片机系统集中控制智能变送器的其他各个功能电路和数据采集、数据处理、数据通信等各个环节的工作过程。

　　2　工作原理与信息检测电路

　　涡街流量计基于流体振荡原理来测量流量。在流动的流体中放置一柱形旋涡发生体,使流体产生两列有规律的交替旋涡列;在一定雷诺数范围内,旋涡发生频率f和流体平均流速v的关系为:

　　式(1)中,d是旋涡发生体的特征宽度,St是斯特劳哈尔系数,是雷诺数的函数,在雷诺数为500~15000区域,基本为一常数。若流体流通载面积是A,则流体体积流量Q与旋涡发生频率的关系为:

　　式(2)中,K=St/d·A是变送器的仪表系数。因此通过测量旋涡频率,就可测出流体的流量。旋涡频率检测电路原理如图2,以压电元件作传感器,将旋涡发生频率转换成同频率电脉冲信号,经过放大整形后,送给单片机系统进行计数测量。由于气体流量跟管道中气体的温度和压力有关,要将测得的工作状态下的体积流量换算成标准状态下的体积流量,或测出气体质量流量。因此,要同时测出工作状态下气体的温度和压力,再由单片机按设计好的算法计算出相应的结果。

　　根据理想气体状态方程,可求得工作状态下气体体积流量换算成标准状态下体积流量的算法如下:

　　式中:Q_n—标准状态(P_n=760mmHg,Tn=293K)下的体积流量;T_n—标准状态下被测气体绝对温度;P_n—标准状态下被测气体绝对压力;T—工作状态下被测气体绝对温度;P—工作状态下被测气体绝对压力;Z—工作状态下被测气体的压缩系数。

　　质量流量Q_m:

　　式(4)中,ρn是标准状态下被测气体密度。

　　变送器中选用铂热敏电阻器检测气体温度,可适应测量不同温度的气体流量的需要;气体压力采用NPI系列固态压阻式压力传感器检测,NPI固态压力感器将固态集成工艺和隔离膜片技术结合在一起,能适应恶劣的工作环境。温度和压力分别被传感器转换成电压信号和放大后送至单片机进行A/D转换。