智能渦街流量計應用于油田注水站、注聚站等監(jiān)測現(xiàn)場

    針對渦街傳感器在流量較低時存在較大非線性特性問題，微處理器根據(jù)其輸出特性曲線進行非線性校正，擴展了流量計的測量下限，從而提高了渦街流量計的量程比。

    1 系統(tǒng)工作原理與總體設計

    1.1 工作原理

    渦街傳感器信號輸出電極上產生的感應電動勢是一個交替變化的信號，它的變化頻率即為漩渦的分離頻率，根據(jù)卡門渦街理論，在一定的雷諾數(shù)范圍內，漩渦分離頻率f與流體流量u有確定的關系：

       （1）

    式中：d為漩渦發(fā)生體的特征尺寸；S_t為斯特羅哈爾數(shù)。S_t與漩渦發(fā)生體寬度d及雷諾數(shù)Re有關，當Re在2×10⁴～7×10⁶的范圍內，St基本保持不變。

    式（1）表明，當d與S_t為定值時，漩渦產生的頻率f與流體的平均流速u成正比，渦街流量計就是根據(jù)上述原理進行流量測量的。由于渦街傳感器所測的并不是平均流速，而大約是漩渦發(fā)生體兩側的流速。不同的雷諾數(shù)下，流速分布規(guī)律是不同的，即不同的流速下具有不同的流速分布，進而說明渦街流量傳感器檢測到的主要反映漩渦發(fā)生體兩側的流速與管道平均流速的關系不是*確定的。這說明渦街流量傳感器的非線性誤差是由其檢測機理所決定的［3］。在實際使用時，先測出傳感器的儀表系數(shù)k與頻率f的試驗曲線F（f）：

      （2）

    式中：G（f）為同一口徑的渦街傳感器具有的相同特性曲線，對該曲線進行分段線性處理，固化在流量計的存儲器中；K為平均儀表系數(shù)，可以根據(jù)實際現(xiàn)場工況，通過鍵盤輸入K值，從而實現(xiàn)渦街傳感器的非線性修正。

    1.2 系統(tǒng)總體設計分析

    系統(tǒng)主要由如下模塊組成：渦街傳感器信號調理模塊，人機交互模塊，HART通信模塊以及電源與掉電檢測模塊，系統(tǒng)框圖如圖1所示。    

圖1 智能渦街流量計系統(tǒng)框圖

    渦街傳感器信號調理模塊是將傳感器輸出的微弱信號進行濾波與放大，再經施密特觸發(fā)電路進行整形，轉換為MCU可以測量的方波信號。

    人機交互模塊主要由液晶顯示屏和鍵盤組成，主要用于渦街流量計菜單設置，完成本地參數(shù)的設置和修改，并在測量狀態(tài)下將瞬時流量和累積流量實時顯示出來。

    HART通信模塊一方面將MCU輸出的數(shù)字量，經D/A與V/I轉換得到對應的（4～20）mA電流；另一方面HART調制解調器將疊加在電流環(huán)路上的FSK數(shù)字信號解調后，再經過通用串行接口送入MCU，并將MCU發(fā)送的應答幀調制成FSK數(shù)字信號，疊加在（4～20）mA電流信號上發(fā)送出去［4］。

    電源模塊將儀表安裝現(xiàn)場提供的24V直流電壓轉換為合適的電壓提供給其他電路模塊。掉電檢測模塊能對外部電源電壓進行監(jiān)測，在系統(tǒng)掉電瞬間產生中斷，MCU在中斷程序中將累積流量等重要數(shù)據(jù)存儲到非易失性存儲器中。

    2 系統(tǒng)硬件設計

    系統(tǒng)采用16位嵌入式微處理器MSP430F147為控制核心，MSP430F147是TI公司面向低功耗儀表領域推出的16位微處理器，工作電壓范圍為1.8～3.6V［5］，微處理器內部具有定時器、內部用戶可編程Flash存儲器以及UART通用串行接口等先進外設，提高了系統(tǒng)的集成度與可靠性。

    2.1 信號調理模塊設計

    渦街傳感器輸出信號頻率f（漩渦的分離頻率）變化范圍為（5～600）Hz，感應信號幅度zui低達0.2mV左右。

    信號調理模塊結構圖如圖2所示，傳感器輸出的微弱信號經前置放大電路、二階低通濾波電路、后置限幅放大電路、施密特整形電路轉換為微處理器可以識別的TTL方波信號，送入MSP430F147的定時器捕捉端口進行頻率測量。    

圖2 傳感器信號調理模塊結構圖

    2.2 掉電檢測模塊設計

    電源掉電模塊設計采用MAXIM公司的電壓比較器MAX9017，該芯片自帶1．236V高精度電壓基準，電源電壓經電阻分壓后與高精度基準電壓比較，實現(xiàn)電源電壓的監(jiān)控。當電源電壓低于一定值時，電壓比較器產生跳變觸發(fā)中斷，在中斷程序中，微處理器完成對累積流量等重要數(shù)據(jù)的保存。MSP430F147內部集成了256Byte用戶可編程Flash存儲器，從而省去了對外圍存儲芯片的需要。

    2.3 HART通信模塊設計

    HART通信模塊由MSP430F147微處理器、HART調制解調芯片A5191HRT和電流環(huán)產生電路組成。

    A5191HRT是AMISemiconductor公司推出的單片HART調制解調器，采用相位連續(xù)的FSK半雙工工作方式，數(shù)據(jù)率為1200b/s。A5191HRT內部集成了符合Bell202標準的調制器、解調器、接收濾波器、發(fā)送信號整形電路、載波檢測等電路［6］，所以只要使用較少的外部無源元件就能夠構建滿足HART協(xié)議物理層要求的電路。

    HART通信模塊電路如圖3所示，A5191HRT與MSP430F147通用串行接口信號包括經光電隔離后的載波監(jiān)測OCD、HART的解調輸出ORXD、來自UART的HART調制輸入ITXD和請求發(fā)送IN-RTS。

圖3 HART通信模塊電路圖

    電流環(huán)產生電路采用V/I轉換電路，輸入電壓范圍為（0～2.5）V，采樣電阻選用阻值為120Ω的精密金屬膜電阻，當輸入電壓為2．4V時，輸出電流為20mA。電流產生電路中的1N4148二極管作用是在電流環(huán)輸出開路時，采樣電阻上流過的電流由運放輸出端提供，從而避免運放工作在飽和狀態(tài)。圖3中I＋與I－分別為（4～20）mA電流環(huán)路兩輸出端口。

    3 系統(tǒng)軟件設計

    系統(tǒng)軟件主要由五部分組成：①測頻子程序，負責傳感器信號頻率的測量；②定時器“心跳”程序，實現(xiàn)非線性校正、累積計算和輸出顯示；③HART通信子程序，當檢測到HART通信載波信號時，進入中斷子程序，進行信號的接收、識別和響應；④掉電保護子程序；⑤菜單設置程序，當有按鍵按下時，可以對流量計進行本地參數(shù)設置和修改。

    系統(tǒng)上電復位后，MSP430F147首先完成各模塊初始化，之后進入低功耗模式LPM3［7］。通過中斷喚醒MCU的方式執(zhí)行相應功能模塊，中斷完成后恢復低功耗模式。系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。

圖4 軟件流程圖      

    3.1 非線性校正算法設計

    采用分段直線方程的非線性校正方法，傳感器試驗得出的特性曲線反應的是傳感器輸出頻率與儀表系數(shù)的對應關系，對曲線進行合適的分段，每一段曲線可以近似看成是一直線段，曲線分段后，各段端點對應被測頻率信號分別為F0，F(xiàn)1，F(xiàn)2…Fm，傳感器對應的儀表系數(shù)為K0，K1，K2…Km，其中F0、Fm分別對應被測頻率zui小值與zui大值。顯然曲線上任一點可由分段直線段上的點近似表示，則有：

        （3）

    式（3）就是得到的兩點式分段直線校正方程。在系統(tǒng)上電初始化是先依次把校正方程參數(shù)（Fi，Ki）（其中i=1，2，3，…，m）讀入內存，在非線性校準時，先要判斷當前測得頻率f位于哪一個直線段，再根據(jù)相應的直線段校正參數(shù)，由校正方程求出相應的儀表系數(shù)。渦街傳感器非線性校正與流量積算在定時器“心跳”斷程序中實現(xiàn)，具體算法軟件流程圖如圖5所示。    

圖5 非線性校正算法流程圖

    3.2 HART通信軟件設計

    HART協(xié)議通信程序根據(jù)HART協(xié)議規(guī)范要求，主要由HART協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層和應用層軟件構成。渦街流量計在HART協(xié)議通信時作為從設備使用終端，系統(tǒng)僅需進行從設備通信軟件設計。

    由于HART總線為半雙工模式，從設備必須在接收到通信主機（上位機或手操器）命令幀后，由微處理器做出相應的數(shù)據(jù)處理，并產生應答幀。為了能夠及時地接收到主機發(fā)送的命令又不影響主程序正常運行，HART通信模塊程序主要在中斷程序來實現(xiàn)。當A5191HRT的載波檢測輸出腳OCD變?yōu)楦唠娖綍r，觸發(fā)硬件中斷，MCU完成主機命令的接收和處理后，生成相應的應答幀，在完成應答后，退出中斷子程序。HART通信程序流程圖如圖6所示。

圖6 HART通信程序流程圖

    HART協(xié)議通信模塊采用這種接收命令并應答的方法完成現(xiàn)場儀表和主機之間的通信，可以實現(xiàn)通訊主機對現(xiàn)場儀表的各個工作參數(shù)的設置、測量結果的讀取、儀表工作狀態(tài)的檢測等功能，并且具有程序設計靈活的優(yōu)點。    

在石油化工生產過程的自動檢測和控制中，為了有效地操作、控制和監(jiān)測，需要檢測各種流體的流量。渦街流量計在管道內無可動部件，具有壓力損失小、運行可靠、維護簡單、測量精度高等優(yōu)點［1］。HART協(xié)議智能渦街流量計在輸出（4～20）mA模擬信號上疊加數(shù)字信號進行雙向通信［2］，可傳送被測變量、儀表設置參數(shù)等多種信息，通過HART手操器可對現(xiàn)場儀表測量范圍、阻尼常數(shù)等進行遠程監(jiān)控和設置，并能對渦街流量計故障進行自診斷。