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在石油化工生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)檢測和控制中，為了有效地操作、控制和監測，需要檢測各種流體的流量。渦街流量計在管道內無(wú)可動(dòng)部件，具有壓力損失小、運行可靠、維護簡(jiǎn)單、測量精度高等優(yōu)點(diǎn)［1］。HART協(xié)議智能渦街流量計在輸出（4～20）mA模擬信號上疊加數字信號進(jìn)行雙向通信［2］，可傳送被測變量、儀表設置參數等多種信息，通過(guò)HART手操器可對現場(chǎng)儀表測量范圍、阻尼常數等進(jìn)行遠程監控和設置，并能對渦街流量計故障進(jìn)行自診斷。
針對渦街傳感器在流量較低時(shí)存在較大非線(xiàn)性特性問(wèn)題，微處理器根據其輸出特性曲線(xiàn)進(jìn)行非線(xiàn)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(chǎn)生的感應電動(dòng)勢是一個(gè)交替變化的信號，它的變化頻率即為漩渦的分離頻率，根據卡門(mén)渦街理論，在一定的雷諾數范圍內，漩渦分離頻率f與流體流量u有確定的關(guān)系：
式中：d為漩渦發(fā)生體的特征尺寸；St為斯特羅哈爾數。St與漩渦發(fā)生體寬度d及雷諾數Re有關(guān)，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St為定值時(shí)，漩渦產(chǎn)生的頻率f與流體的平均流速u(mài)成正比，渦街流量計就是根據上述原理進(jìn)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。不同的雷諾數下，流速分布規律是不同的，即不同的流速下具有不同的流速分布，進(jìn)而說(shuō)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(guān)系不是唯一確定的。這說(shuō)明渦街流量傳感器的非線(xiàn)性誤差是由其檢測機理所決定的［3］。在實(shí)際使用時(shí)，先測出傳感器的儀表系數k與頻率f的試驗曲線(xiàn)F（f）：
式中：G（f）為同一口徑的渦街傳感器具有的相同特性曲線(xiàn)，對該曲線(xiàn)進(jìn)行分段線(xiàn)性處理，固化在流量計的存儲器中；K為平均儀表系數，可以根據實(shí)際現場(chǎng)工況，通過(guò)鍵盤(pán)輸入K值，從而實(shí)現渦街傳感器的非線(xiàn)性修正。
1.2系統總體設計分析
系統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，系統框圖如圖1所示。
渦街傳感器信號調理模塊是將傳感器輸出的微弱信號進(jìn)行濾波與放大，再經(jīng)施密特觸發(fā)電路進(jìn)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(pán)組成，主要用于渦街流量計菜單設置，完成本地參數的設置和修改，并在測量狀態(tài)下將瞬時(shí)流量和累積流量實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。
HART通信模塊一方面將MCU輸出的數字量，經(jīng)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數字信號解調后，再經(jīng)過(guò)通用串行接口送入MCU，并將MCU發(fā)送的應答幀調制成FSK數字信號，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場(chǎng)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(jìn)行監測，在系統掉電瞬間產(chǎn)生中斷，MCU在中斷程序中將累積流量等重要數據存儲到非易失性存儲器中。
2系統硬件設計
系統采用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(lǐng)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(shí)器、內部用戶(hù)可編程Flash存儲器以及UART通用串行接口等先進(jìn)外設，提高了系統的集成度與可靠性。
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，感應信號幅度最低達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(jīng)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(shí)器捕捉端口進(jìn)行頻率測量。
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(jīng)電阻分壓后與高精度基準電壓比較，實(shí)現電源電壓的監控。當電源電壓低于一定值時(shí)，電壓比較器產(chǎn)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據的保存。MSP430F147內部集成了256Byte用戶(hù)可編程Flash存儲器，從而省去了對外圍存儲芯片的需要。
2.3HART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(chǎn)生電路組成。
A5191HRT是AMISemiconductor公司推出的單片HART調制解調器，采用相位連續的FSK半雙工工作方式，數據率為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(wú)源元件就能夠構建滿(mǎn)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(jīng)光電隔離后的載波監測OCD、HART的解調輸出ORXD、來(lái)自UART的HART調制輸入ITXD和請求發(fā)送IN-RTS。
電流環(huán)產(chǎn)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(shí)，輸出電流為20mA。電流產(chǎn)生電路中的1N4148二極管作用是在電流環(huán)輸出開(kāi)路時(shí)，采樣電阻上流過(guò)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系統軟件設計
系統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(shí)器“心跳”程序，實(shí)現非線(xiàn)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(shí)，進(jìn)入中斷子程序，進(jìn)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(shí)，可以對流量計進(jìn)行本地參數設置和修改。
系統上電復位后，MSP430F147首先完成各模塊初始化，之后進(jìn)入低功耗模式LPM3［7］。通過(guò)中斷喚醒MCU的方式執行相應功能模塊，中斷完成后恢復低功耗模式。系統軟件流程圖如圖4所示。
3.1非線(xiàn)性校正算法設計
采用分段直線(xiàn)方程的非線(xiàn)性校正方法，傳感器試驗得出的特性曲線(xiàn)反應的是傳感器輸出頻率與儀表系數的對應關(guān)系，對曲線(xiàn)進(jìn)行合適的分段，每一段曲線(xiàn)可以近似看成是一直線(xiàn)段，曲線(xiàn)分段后，各段端點(diǎn)對應被測頻率信號分別為F0，F1，F2…Fm，傳感器對應的儀表系數為K0，K1，K2…Km，其中F0、Fm分別對應被測頻率最小值與最大值。顯然曲線(xiàn)上任一點(diǎn)可由分段直線(xiàn)段上的點(diǎn)近似表示，則有：
?。?）就是得到的兩點(diǎn)式分段直線(xiàn)校正方程。在系統上電初始化是先依次把校正方程參數（Fi，Ki）（其中i=1，2，3，…，m）讀入內存，在非線(xiàn)性校準時(shí)，先要判斷當前測得頻率f位于哪一個(gè)直線(xiàn)段，再根據相應的直線(xiàn)段校正參數，由校正方程求出相應的儀表系數。渦街傳感器非線(xiàn)性校正與流量積算在定時(shí)器“心跳”斷程序中實(shí)現，具體算法軟件流程圖如圖5所示。
3.2HART通信軟件設計
HART協(xié)議通信程序根據HART協(xié)議規范要求，主要由HART協(xié)議數據鏈路層和應用層軟件構成。渦街流量計在HART協(xié)議通信時(shí)作為從設備使用終端，系統僅需進(jìn)行從設備通信軟件設計。
由于HART總線(xiàn)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據處理，并產(chǎn)生應答幀。為了能夠及時(shí)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(lái)實(shí)現。當A5191HRT的載波檢測輸出腳OCD變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，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。
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場(chǎng)儀表和主機之間的通信，可以實(shí)現通訊主機對現場(chǎng)儀表的各個(gè)工作參數的設置、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(diǎn)。
4結語(yǔ)
該智能渦街流量計充分利用微處理器MSP430F147內部功能模塊，提高了系統集成度與可靠性，采用了簡(jiǎn)單實(shí)用且方便實(shí)現的分段直線(xiàn)方程的非線(xiàn)性校正算法，有效地解決了渦街傳感器非線(xiàn)性特性的問(wèn)題。采用該算法后，試驗運行表明，流量計的量程比可達25∶1。
儀表硬件上設計了隔離式的HART通信模塊，通信軟件設計符合HART協(xié)議要求，可由上位機或手操器進(jìn)行遠程操作，并且數字通信不影響（4～20）mA模擬信號輸出，與傳統模擬儀表有較好的兼容性。目前，該智能渦街流量計已實(shí)現批量生產(chǎn)和銷(xiāo)售，并廣泛應用于油田注水站、注聚站等監測現場(chǎng)。
