利用现场总线设计电磁流量计智能卡 流量计技术指标

当今现场总线技术的发展日新月异，应用领域也日趋广泛，从家庭、能源、楼宇，到工业现场。本文将介绍利用现场总线来设计电磁流量计智能卡。

为了适应市场的需要，国内外各大公司纷纷推出新一代的各具特色的智能化流量仪表，其中结合现场总线技术的智能电磁流量计的开发尤为引人注目，这是由于电磁流量计的特点决定的。

1)在各种流量仪表中，电磁流量计涉及的智能化功能较多，智能化技术的应用不仅有利于提高电磁流量计的性能，而且易于与现场总线技术相结合。

2)电磁流量计的用途十分广泛，从流域治理到社区建设，特别是新兴环保行业的发展，将进一步推广电磁流量计的应用。

现场总线技术的优势在于简化对现场设备的监控和管理，以网络管理逐步取代传统的分散型控制系统。智能化电磁流量计以其自身的智能化技术与现场总线技术相结合，将能极大地满足各个领域对其应用的要求。目前我国在工业领域应用较广泛地总线技术有：HART通信协议,基金会现场总线,LONWORKS技术等，下面分别介绍智能电磁流量计与这些现场总线相结合时智能卡的设计。

HART

HART（Highway Addressable Remote Transducer）协议是一种过渡性协议，它采用FSK技术，在4～20mA过程测量模拟信号上叠加了一个频率信号，使模拟信号与数字双向通讯能同时进行，互不干扰。我国目前工业现场中4～20mA标准的模拟仪表仍大量存在，HART协议起到了承前启后的作用，在我国得到了广泛的应用。

1.考虑与HART协议相结合，在设计电磁流量计智能卡时采用三CPU方案。CPU选用Motorola公司的68HC11单片机，该种型号的芯片具有体积小、功耗低、系统设计简单等特点，是所有8位单片机中功能较强的系列。CPU1控制A/D采样、D/A转换、数据处理和HART命令接口；CPU2产生矩形波励磁信号和宽脉冲采样信号（CPU2虽然任务少，功能简单，但由于它的可靠工作是整台仪表正常工作的保障，所以单独用一块单片机实现这些功能）；CPU3管理键盘操作和液晶显示（CPU3与智能板的接口可做成插拔式的，是否需要CPU3可由用户选择）。三块CPU之间的通讯采用同步串行SPI方式，CPU1为主机，CPU2和CPU3为从机.

2.A/D转换电路采用AD7715芯片，这是一种用于低频测量仪器的芯片，它具有16位无误码分辨率、良好的抗干扰性等优点，可对单极输入与双极输入信号进行放大转换。在智能卡的设计中，AD7715芯片用5V单电源供电，+2.5V的双极性信号输入，其中串行数据的输入脚、输出脚和串行时钟输入脚直接与CPU1的SPI口相连。

3.D/A转换电路采用环路供电芯片AD421,其16位分辨率和60.01%的非线性度特别适合于HART智能仪表的设计。AD421自带的稳压器提供＋5V电源，同时也为MODEM供电，与CPU1通过串行接口方式相连，CPU1输出的数字信号直接进入AD421的数据输入脚。同时将AD421与HART协议的MODEM芯片相连，1200Hz和2200Hz的调制正弦波就可以加到AD421芯片输出的电流环路上，这样就可以实现数字信号与模拟信号同时输出。

4.调制解调芯片（MODEM）选用SMAR公司生产的HT2012,HT2012是专门为HART产品而设计生产的。解调器通过IRXA获得FSK信号，FSK信号经解调后在ORXD输出数字信号，ORXD直接与CPU1的异步串行输入口相连。调制器通过ITXD获得CPU1异步串行输出口的数字信号，该信号经调制后在OTXA输出FSK信号，FSK信号经整形后加载到4～20mA输出回路上。INRTS启动调制解调器输出FSK信号，OCD作为载波侦听输出，在IRXA有FSK信号时变为低电平，启动CPU1读取ORXD处的解调信号。由于HT2012芯片解调部分的输入信号取自4～20mA回路，该信号必须经过带通滤波器以除去环境噪声干扰，并经触发器转换成方波进入IRXA。调制部分的输入信号取自CPU1的异步串行输出口，该信号必须在调制后经整形电路加载到4～20mA没回路。

基金会现场总线（FF）

基金会现场总线（Foundation Fieldbus）是全分布式自动化系统，其开放性数字通信能力使自动化系统具备了网络化特征，要完成的主要功能是对工业生产过程中各个参数进行测量、信号变送、控制、显示、计算等，实现对生产过程的自动检测、监视、自动调节、顺序控制和自我保护，在通讯模式上它采用全数字通讯。因为FF系统将控制功能完全下放到现场，要求仅由现场仪表即可实现完整的控制功能，也即现场仪表除了能够进行测量、计算外，彼此之间能够进行通讯接收、发送和通讯控制，智能电磁流量计以其显著的优势，不仅完全能够满足FF总线的需要，而且能够简化自身的硬件电路，降低成本，提高仪表的可靠性。

目前多家公司都生产可用作基金会现场总线通讯控制器的芯片，如日本的横河公司、富士公司，美国的SHIPSTAR公司，巴西的SMAR公司等。我所在进行九五攻关课题"符合FF协议的智能电磁流量计的开发"时，选用的是SMAR公司生产的FB3050芯片。

1.该芯片符合SP50-2-1992 PART2中所规定的现场总线物理层标准，芯片设计时考虑了和各种流行的微处理器接口，既可用作现场总线上的主设备的通讯接口，也可用作从设备的通讯接口。为了减轻CPU的负担，FB3050内部设计了数据链路层地址及帧的自动识别处理器，提供了一套自动识别帧控制字和帧目的地址的逻辑机制，有了这套机制再加上DMA电路，FB3050可以不用CPU干预的情况下就能从网上全部正确接收属于本节点的信息帧。

2.网板上的CPU选用嵌入式控制中常用的Intel80188芯片。80188存储器空间为1MB，最大IO寻址空间为64KB，并集成了一套中断控制器、两路DMA控制器、3个16位定时器、6条可编程的存储器片选线、7条可编程的IO接口片选线。鉴于80188芯片的丰富资源，在设计流量计智能卡时可以将HART智能电磁流量计智能板中CPU1中的功能完全上移至FF网板中的Intel80188芯片中。

3.A/D采样电路仍选用AD7715芯片，其数据输入输出线与80188的I/O口线相连，DRDY数据准备好线与中断线INT1相连。80188在定时器到时开中断，当DRDY为低电平时表示数据准备好，中断响应，进入中断采样处理程序。原有的CPU2、CPU3仍可保留（CPU3由用户选择），其SPI口线可与80188的I/O线相连，用模拟SPI方式通讯。因为FF总线是全数字通讯，所以4-20mA电路部分可以省去。

LONWORKS总线

LONWORKS 总线是由美国Echelon公司推出的，是众多现场总线标准中比较完善和优秀的一种。LONWORKS是基于网络技术的总线产品，在美国等地已有广泛应用，我国已有很多成功的应用实例，结合Echelon公司的OEM合作方式，LONWORKS 总线技术在我国将会有更广阔的应用前景，因此将该技术应用在智能电磁流量计中也是十分必要的。

LONWORKS现场控制网络是一个局部操作网络，为集散式监控系统提供了很强的实现手段。由于在系统中使用了路由器，使网络可不受通讯介质、通讯距离、通讯速率的限制。智能电磁流量计与LONWORKS技术相结合，不仅方便了用户，而且扩大了电磁流量计的应用领域。

在LONWORKS总线中每一个现场设备称为节点，一个典型的现场控制节点主要包含以下几部分功能块：应用CPU、I/O处理单元、通讯处理器、收发器和电源。LONWORKS技术的核心是神经元芯片，它是节点的通讯协处理器，用以协调主机与节点之间的通讯与控制，以及各节点之间彼此的信息沟通。因为神经元芯片主要是利用高级主机的资源来完成复杂的测控功能，其外围电路简单、体积小，可做成插拔式的与仪表通讯卡接口。这样在设计电路时既保持了仪表通讯卡的通用性，又提高了抗干扰能力，使得仪表在网络忙时仍可独立完成监测与控制功能。

现场总线技术的广泛应用是当今工业自动化发展的趋势与必然，近早、更好地将现场总线技术与工业仪表相结合，是每一个工程技术人员应该认清的方向，并为之做出积极的努力。 摘 要：科氏力质量流量计由于有着能直接测量质量流量的优点，在我国从90年代初进入工业测量领域以来，应用越来越广泛。早期的质量流量计生产厂家都宣称其产品不受被测介质的密度、温度、压力、粘度等变化的影响，随着近几年的大量应用，发现测量介质的物理参量的变化对其测量精度是有影响的。本文主要讨论被测介质压力的变化对流量计测量精度的影响。
关键词：科氏力，质量流量计，测量精度，测量介质，工作压力，误差

一、 科氏力质量流量计的工作原理

科氏力质量流量计是运用流体质量流量对振动管振荡的调制作用即科里奥利力现象为原理，以质量流量测量为目的的质量流量计。一般由传感器和变送器组成。

如图一所示。当质量为δm的流体质点，以速度V沿管道AB运动，同时，管道AB又以A点为圆心以角速度Ω转动，当该质点做上述复合运动时，在任意一点M处，质点具有两个加速度分量：向心加速度ar, 方向指向A点；科氏加速度ak,方向向上，量值为2ΩV。为使流体质点具有科氏加速度，需要在ak 方向施加一个大小等于2ΩVδm的力，这个力来自管道，而流体质点反作用于管道上的力就是科氏力Fc，方向如图所示。

Fc=2ΩVδm (1)

如图二所示，若流体密度为ρ，以速度V沿管道AB流动，设管道横截面积为S，则任一段长度为△X管道上的科氏力△Fc为：

Fc= -△mak (2)

式中△m为长度△X管道中的流体质量。△m=ρS△X
△Fc=-2ρS△X(Ω×V) (3)

由于上述管道中的流体，其Ω与V的夹角为90oC，质量流量qm=ρSV, 有： qm=△Fc/2Ω△X (4)

从式(4)中可以看出，测量在旋转管道中流体的科氏力就可以直接测得质量流量。在实际应用中使测量管道做简谐振动，用振动的方式代替旋转的方式，利用电磁或光电的检测器检测科氏力对振动的影响从而测得管道中的质量流量。

按照传感器测量管的形状，质量流量计分为直管型和弯管型两大类。直管型一般尺寸较小，不易积气，易于清洗，但由于其振动系统刚度大，谐振频率高，相位差小，电信号处理较困难。为了降低谐振频率，管壁必须较薄，而较薄的管壁会使耐磨性和抗腐蚀性变差。弯管型的振动系统刚度较低，电信号容易处理，可选用较厚的测量管壁，其耐磨性和抗腐蚀性较好，但由于形状复杂，容易积存残渣和气体，引起误差，结构尺寸也较大。

从式(4)中还可以看出，质量流量并不受压力的影响，只同测量管的几何形状和测量系统的振荡特性有关。但实际上，工作压力的变化会引起测量管几何尺寸的改变并对测量系统的振荡特性产生影响，从而引起测量误差。为了实际证明这一点，我们采用实验的方法分析工作压力的变化对流量计测量精度的影响。

二、 工作压力对流量计测量精度的影响

利用可调节工作压力的静态称量法水流量标准装置在不同压力下对同一台流量计进行测试，从而得到压力对流量计精度的影响值。实验选用国内应用较广的一型弯管型和一型直管型流量计作为被测对象，所用的标准装置是通过标定的系统，实验步骤依照JJG897-95《质量流量计检定规程》进行，并参考了ISO 10790的有关要求。

1.实验方法 按照正常的检定操作安装好流量计，设定好检定压力，在进行完系统预热，调整流量计的零点后。进行检定操作，完成一次检定过程后，重新设定检定压力，在新的检定压力下再次进行检定操作，直到完成全部实验压力点的测试。在全部实验过程中，不对流量计的设置做改动。

2.弯管型实验数据

表1为对一台DS300流量计在不同检定压力下的测试数据

表1 DS300型流量计在不同检定压力下的测试数据表

流量 (t/h)	压力 (Mpa)	相对误差 (%)	压力 (Mpa)	相对误差 (%)	压力 (Mpa)	相对误差 (%)	压力 (Mpa)	相对误差 (%)
120	-	-	0.32	0.14	0.42	-0.01	-	-
100	-	-	0.36	-0.01	0.47	-0.20	-	-
90	0.17	0.24	-	-	-	-	-	-
50	0.17	0.09	0.36	-0.13	0.43	-0.22	0.55	-0.38
20	0.17	0.02	-	-	0.43	-0.29	0.55	-0.48
90	0.17	0.20	-	-	-	-	-	-
100	-	-	-	-	-	-	-	-

依照流量值对表1的数据进行分析，分别计算在各流量点下的流量计的误差变化得到表2-5。

表2 当流量为20t/h不同工作压力状态下的误差情况表

压力Mpa	压力变化值Mpa	误差%	误差变化%	每变化0.1Mpa引起的误差变化%
0.17	-	0.02	-	-
0.43	0.26	-0.29	-0.31	-0.12
0.55	0.12	-0.48	-0.19	-0.16

表3 当流量为50t/h在不同工作压力状态下的误差情况表

压力Mpa	压力变化值Mpa	误差%	误差变化%	每变化0.1Mpa引起的误差变化%
0.17	-	0.09	-	-
0.36	0.19	-0.13	-0.22	-0.12
0.43	0.07	-0.22	-0.09	-0.13
0.55	0.12	-0.38	-0.16	-0.13

表4 当流量为100t/h在不同压力状态下的误差情况表

压力Mpa	压力变化值Mpa	误差%	误差变化%	每变化0.1Mpa引起的误差变化%
0.32	-	0.14	-	-
0.42	0.1	-0.01	-0.15	-0.15

表5 当流量为120t/h在不同压力状态下的误差情况表

压力Mpa	压力变化值Mpa	误差%	误差变化%	每变化0.1Mpa引起的误差变化%
0.36	-	-0.01	-	-
0.47	0.11	-0.2	-0.19	-0.17

3.直管型实验数据

表6为一台63FS80流量计在不同检定压力下的测试数据

同样依照流量值对表6的数据进行分析，分别计算在各流量点下的流量计的误差变化得到表7-9。

表6 63FS80型流量计在不同检定压力下的测试数据表

流量 (t/h)	压力 (Mpa)	相对误差 (%)	压力 (Mpa)	相对误差 (%)	压力 (Mpa)	相对误差 (%)	压力 (Mpa)	相对误差 (%)
20	0.14	+1.03	0.178	0.06	0.288	0.89	0.556	-0.2
50	0.14	+0.06	0.178	0.51	0.288	0.74	0.500	+0.31
82	0.145	-0.06	-	-	-	-	-	-
100	-	-	0.178	0.48	0.288	0.17	0.500	+0.95

表7 当流量为20t/h在不同压力状态下的误差情况表

压力Mpa	压力变化值Mpa	误差%	误差变化%	每变化0.1Mpa引起的误差变化%
0.14	-	1.03	-	-
0.178	0.038	0.06	-0.97	-2.55
0.288	0.11	0.89	0.83	0.75
0.556	0.268	-0.2	-1.09	-0.41

表8 当流量为50t/h在不同压力状态下的误差情况表

压力Mpa	压力变化值Mpa	误差%	误差变化%	每变化0.1Mpa引起的误差变化%
0.14	-	0.06	-	-
0.178	0.038	0.51	0.45	1.18
0.288	0.11	0.74	0.23	0.21
0.5	0.212	0.31	-0.43	-0.20

表9 当流量为100t/h在不同压力状态下的误差情况表

压力Mpa	压力变化值Mpa	误差%	误差变化%	每变化0.1Mpa引起的误差变化%
0.178	-	0.48	-	-
0.288	0.11	0.17	-0.31	-0.28
0.5	0.212	0.95	0.78	0.37

从表2-5中可以发现流量计的实际工作压力每升高0.1Mpa流量计会产生-0.12～-0.17%的附加误差。即当工作压力高于检定压力时，每高出0.1Mpa流量计会产生约为-0.15%的附加误差，而当工作压力低于检定压力时。每低0.1Mpa流量计会产生约为+0.15%的附加误差。此实验数据同该仪表的制造商公布的数据(-0.13%/0.1Mpa)基本一致。

三、 解决压力影响的方法

应该指出的是，我们此次实验选用的流量计，是受压力影响较大型号的流量计，对其它型号的，特别是DN50口径以下的流量计受压力影响较小。为了避免实际应用中压力变化对流量计测量精度的影响，可以采取以下方法：

1.在选型时尽量选用受压力变化影响小的质量流量计；

2.对流量计进行在线检定；在不具备在线检定条件时，也应使流量计在工作压力下进行离线检定；

3.对一些受压力影响所产生附加误差的变化较稳定的流量计，可采用安装压力变送器的方法以软件的方式实现进行实时的压力补偿计算。

主要用于工业管道介质流体的流量测量,如气体、液体、蒸汽等多种介质。其特点是压力损失小,量程范围大,精度高,在测量工况体积流量时几乎不受流体密度、压力、温度、粘度等参数的影响。无可动机械零件，因此可靠性高,维护量小。仪表参数能长期稳定。采用压电应力式传感器,可靠性高,可在-20℃～+250℃的工作温度范围内工作。有模拟标准信号,也有数字脉冲信号输出,容易与计算机等数字系统配套使用,是一种比较先进、理想的流量仪表。
    涡街流量计测量误差大的原因：
    1)直管段长度不足
    2)模拟转换电路零漂或满量程调整不对
    3)供电电压变化过大
    4)仪表超过检定周期
    5)传感器与配管内径差异较大
    6)安装不同心或密封垫凸入管内
    7)传感器沾污或损伤
    8)有两相流或脉动流
    9)管道泄漏
    涡街流量计测量误差解决办法：
    1)加长涡街流量计直管段或加装流动调整器
    2)校正零点和量程刻度
    3)检查电源
    4)及时送检
    5)检查配管内径，修正仪表系数
    6)调整安装，修整密封垫
    7)清洗更换传感器
    8)排除两相流或脉动流
    9)排除泄漏

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