CN108534867A - 一种本安两线制hart超声波外测式液位计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种本安两线制HART超声波外测液位计，包括设置于待测罐体外侧分别与外测液位计处理器相连接的测量探头和校准探头；外测液位计处理器通过两线制的供电和输出共用传输线分别与显示器、监控单元相连接；仪表可以达到本安ExiaⅡBT4防爆等级，适用于0区使用，同时仪表具有自校准功能，实现高精度、安全、可靠的测量。在低功耗两线制实现的基础上应用HART协议，实现了传感器信号的数字化、智能化，能方便地修正拟合曲线和进行各种补偿及算法植入。本安ExiaⅡBT4设计基本可以满足95％的危险气体环境工业仪表使用，外测、两线制及本安HART功耗及能量匹配做到极优处理，在两线制低功耗基础上同时能够达到仪表的高精度测量，其精度可达到0.1％。

Description

一种本安两线制HART超声波外测式液位计

技术领域

本发明属于智能仪表技术领域，涉及一种本安两线制HART超声波外测式液位计。

背景技术

随着国家对于危险场所仪表安全等级要求的提高，传统防爆技术已经很难达到要求，通常采用仪表隔爆等方式进行防爆，其防爆等级较低，且对于部分危险化工环境的使用受到较大限制，而且一般的防爆外壳具成本大，设计不易维护，且零件的松动或者脱落会造成隔爆失效，维护成本较高，且安全隐患较高。

超声波外测技术应用是比较广泛的，其突破了传统投入式仪表的限制，外测技术解决了危化品测量的相关限制，在压力容器、易燃易爆、被测介质腐蚀性强、有毒、粘稠等领域具有广泛而又实际的应用，通过校准设计，实现安全、精准的测量。传统仪表采用手动校准的方式，校准的精度以及可靠度不高，并且是人力、物力资源一种极大的浪费，且危险场所校准的实施难度较高。

当前智能仪表系统(包括DCS及相应的模拟仪表)的发展越来越注重系统级用户信息的交互、可靠性、检测等问题，而基于成本及可靠性问题考虑，HART技术作为一种从模拟信号到全数字信号过渡一种通讯协议，特别适合于目前企业的技术和设备的改造。HART协议是唯一向后兼容的智能仪表解决方案，即它可以在提供现场总线的优越性的同时，保留对现有4～20mA系统的兼容性。而且与模拟仪表相比，HART智能仪表在成本不增加太大的前提下具有易于调试维护和更高的精度的优点。

目前的外测液位计由于所选器件的功耗等问题限制，较常采用四线制的连接方式，低功耗的两线制仪表较少，两线制电流的两根信号线既要给传感器或者变送器供电，又要提供电流信号，两线制还便于使用安全栅，利于安全防爆。

发明内容

本发明的目的在于提供一种本安两线制HART超声波外测式液位计，在使用两线制的基础上，同时采用HART通讯协议以数字形式传输过程与现场仪表的数据，实现高精度、安全、可靠的测量。

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现：

包括设置于待测罐体外侧分别与外测液位计处理器相连接的测量探头和校准探头；外测液位计处理器通过两线制的供电和输出共用传输线分别与显示器、监控单元相连接；

所述的外测液位计处理器包括一端分别与测量探头和校准探头相连的两组发射控制电路和接收调理电路，发射控制电路、接收调理电路的另一端分别与MCU相连，在MCU控制下发射控制电路驱动测量探头、校准探头产生超声波信号，超声波信号受到液面反射产生回波，回波信号通过测量探头和校准探头反馈至接收调理电路；接收调理电路将产生的回波喜好传递给MCU进行控制，MCU通过环路电流进行输出控制，或者传送给HART处理单元进行协议解析再传递至环路电流输出进行控制，再在显示器或监控单元进行显示或远程输出。

所述的HART处理单元采用HART协议进行控制，外测液位计处理器保持4-20mA标准控制信号。

所述的HART处理单元在不中断过程信号的情况下，在同一模拟回路上同时进行数字通信。

所述的数字通信采用数字FSK信号相位连续进行传输，平均值为0。

所述的测量探头和校准探头实现自校准测量：

已知待测罐体的罐径为D，则有D＝V’×t’/2(1)

其中，t’为校准探头发射的声波由发射至返回应用的时间；

设待测液位为h，则有h＝V×t/2(2)

t为测量探头发射的声波由发射至返回应用的时间，在同一测量介质中式(1)中的V和式(2)中的V’是相同的，故：

h＝2D/t’×t/2，即：h＝D×t/t’.

液位值h仅与声波反射的测量时间相关。

测量探头安装在罐壁底部，校准探头安装在有液部分的罐子侧壁外，校准探头依罐体进行安装位置调节，由液位计处理器通过发射控制电路探头激发探头产生声波信号。

MCU通过模拟开关对校准探头、测量探头进行分时供电控制，对未使用的校准探头或测量探头进行休眠处理。

所述的外测液位计处理器与其供电电源之间还设有安全栅。

所述的HART处理单元采用MSP430单片机信号控制HART协议解析。

所述的显示器还采用超低功耗的LCD干簧管进行功耗限制。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明在使用两线制的基础上，同时采用HART通讯协议进行整体产品的系统设计，符合HART协议的现场仪表保持4-20mA标准控制信号，同时以数字形式传输过程与现场仪表的数据。在不中断过程信号的情况下，在同一模拟回路上同时进行数字通信。

采用HART协议外测仪表主要实现传感器信号的数字化，提高了测量精度，实现了传感器信号的智能化，能方便地修正拟合曲线和进行各种补偿，通信传输采用4-20mA加数字信号方式，信号过程测量模拟信号上叠加了低电平的数字信号。数字FSK信号相位连续、平均值为0，不影响4～20mA模拟信号，从而使模拟信号和数字双向通信能同时进行，而不相互干扰。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

由于本安电路采用抑制点火源能量的方式进行能量控制，以达到防爆的目的，结构简单、易于操作，同时使用范围广而且便于维护。电火花和热效应是引起爆炸性危险气体爆炸的主要点燃源，本安设计就是通过限制电火花和热效应两个可能的点燃源的能量来实现，实验表明，对于各种爆炸性危险气体都有其最小点燃能量。(例如，氢气19uJ，乙烯60uJ，丙烯200uJ，甲烷280uJ)，在正常工作和故障状态下当仪表可能产生的电火花或热效应的能量小于这个能量时，仪表将不可能点燃相应的爆炸性危险气体而产生爆炸。

在数值上，仪表最高表面温度必须小于仪表要求的设计温度组别对应的温度值，而爆炸性危险气体的温度组别是指气体的引燃温度最小值，当温度超过规定气体引燃温度值时，气体即会引燃而产生爆炸。因此，在实际使用中，仪表允许的最高表面温度不得高于使用场所可能出现的危险气体自燃温度最小值。

为了达到仪表的整体的本安性能要求，本发明的仪表主要从三方面进行着手设计：

首先本发明采用两线制进行传输；本安电路中所有元器件或导线的最高表面温度须不大于所规定的组别温度要求，以避免热效应点燃爆炸性气体混台物；

电路设计在规定等级、级别相对应的试验条件进行试验评定时，参照最小点燃曲线评定电路本安性能进行相关性能的评估，使其不得点燃相应的爆炸性气体混合物。

如图1所示，本发明包括设置于待测罐体外侧分别与外测液位计处理器相连接的测量探头和校准探头；外测液位计处理器通过两线制的供电和输出共用传输线分别与显示器、监控单元相连接；

所述的外测液位计处理器包括一端分别与测量探头和校准探头相连的两组发射控制电路和接收调理电路，发射控制电路、接收调理电路的另一端分别与MCU相连，在MCU控制下发射控制电路驱动测量探头、校准探头产生超声波信号，超声波信号受到液面反射产生回波，回波信号通过测量探头和校准探头反馈至接收调理电路；接收调理电路将产生的回波喜好传递给MCU进行控制，MCU通过环路电流进行输出控制，或者传送给HART处理单元进行协议解析再传递至环路电流输出进行控制，再在显示器或监控单元进行显示或远程输出。

本发明的供电和输出共用，满足仪表的两线制控制，采用HART协议进行控制，现场仪表保持4-20mA标准控制信号。在不中断过程信号的情况下，在同一模拟回路上同时进行数字通信。数字FSK信号相位连续,平均值为0，不影响4～20mA模拟信号,从而使模拟信号和数字双向通信能同时进行，而不相互干扰。

现场安装时采用测量探头和校准探头共用的模式，同时激励两个探头工作，基于超声波测量原理：

已知罐径为D,依据声波测速的原理:

D＝V’×t’/2(1)

D为已知罐径，t’为校准探头发射的声波由发射至返回应用的时间。

设待测液位为h,

h＝V×t/2(2)

t为测量探头发射的声波由发射至返回应用的时间，在同一测量介质中式(1)中的V和式(2)中的V’是相同的，故：

h＝2D/t’×t/2,即：

h＝D×t/t’.

液位值h不受介质温度、环境等因素影响，仅与声波反射的测量时间相关，达到自校准功能。

在现场安装时，测量探头安装在罐底，校准探头安装在罐壁侧壁外测进行测量，比如管内实际测量液位高度为5左右米，将测量探头安装在罐壁底部，校准探头安装在有液部分的罐子侧壁外，由液位计处理器通过发射控制电路探头激发探头、产生声波信号，信号遇到界面产生回波，回波信号返回至探头在逆压电效应下产生电信号，电信号通过接收调理电路进行处理，液位信号反馈至注MCU,通过HART处理单元和环路电流输出进行具体的液位信号的显示，即显示按键部分进行输出显示实际的液位测量值。

本发明在使用两线制的基础上，同时采用HART通讯协议进行整体产品的系统设计，符合HART协议的现场仪表保持4-20mA标准控制信号，同时以数字形式传输过程与现场仪表的数据。在不中断过程信号的情况下，在同一模拟回路上同时进行数字通信，使用户获得了诊断和维护的信息，以及更多的过程数据。

采用HART协议外测仪表主要实现传感器信号的数字化，提高了测量精度，实现了传感器信号的智能化，能方便地修正拟合曲线和进行各种补偿，智能仪表的网络化，在控制站内可直接观测数千台仪表，通信传输采用4-20mA加数字信号方式，信号过程测量模拟信号上叠加了低电平的数字信号。数字FSK信号相位连续,平均值为0,不影响4～20mA模拟信号,从而使模拟信号和数字双向通信能同时进行,而不相互干扰。

其次，为了实现整体的低功耗要求，采用校准探头应用的方式，校准探头、测量探头的模块采用分时供电操作，未使用的探头进行休眠处理，整体上降低了整体的探头功耗，自校准技术的具体实施如下：

进一步的，声速值与被测介质、温度、压力等因素有关，复杂而不断变化的工况直接影响参考声速的测量，进而导致液位测量精度不高，为提高整体的测量精度，在提升仪表准确度的前提下，仪表采用自校准技术，将自校准技术同超声波外测相结合，仪表整体的测量精度可以达到0.1％，精简高效的组合方式实现具体同时能够提高仪表的使用寿命，尤其是在危化品领域的应用提高应用的广泛性。

应用校准探头实现自校准功能，将测量探头和校准探头分别垂直紧贴在被测罐体的罐底和罐壁上，因有些粘稠度较高的介质会产生分层现象，单一探头校准不具有代表性且会对测量的精度造成一定的影响，故采用两个校准探头，分别在不同位置垂直安装于罐壁外侧，不同高度范围采用不同的校准探头实施校准：

已知罐径为D,依据声波测速的原理:

D＝V’×t’/2(1)

D为已知罐径，t’为校准探头发射的声波由发射至返回应用的时间。

设待测液位为h,

h＝V×t/2(2)

t为测量探头发射的声波由发射至返回应用的时间，在同一测量介质中式(1)中的V和式(2)中的V’是相同的(特殊环境可选择双探头进行校准)，故：

h＝2D/t’×t/2,即：

h＝D×t/t’.

液位值h不受介质温度、环境等因素影响，仅与声波反射的测量时间相关，达到自校准功能。

校准探头的安装一般选择在能达到可靠液位测量的前提下，依据现场判断，进行相对合理的安装。

进一步的，将本安电路与非本安电路完全、可靠隔离；在电源供电和仪表之间采用安全栅进行可靠隔离，能够将供给本安电路(即液位计)的电压或电流限制在安全的范围内，使其不足以引发火花，保证输送到危险区的能量受控。安全栅采用限压、限流、隔离等措施，可以提高整个系统的本安防爆性能，同时增加了系统的抗干扰性。

本发明实现了外测(安装在罐壁外侧)、本安两线制HART以及自校准技术的结合。本安仪表设计高精度测量前提下满足仪表稳定、可靠、带冗余的运行，主要在显示、主控电路以及探头应用方向分别进行管控：

主控电路降低能量的方式，采用超低功耗的MSP430单片机信号控制hart协议解析；并充分利用430单片机的片内资源，采用片内的ADC、比较器用来简化外围电路以降低功耗。

显示部分采用超低功耗的LCD干簧管进行功耗限制。

发射探头主要采用两种方式进行功耗降低工作，首先采用长时间的电容储能进行电流限制，短时间内释放能量；第二种方式为校准探头、测量探头的模块采用分时供电操作，在电路激发时同时激励测量探头和校准探头，一般情况下同一液体测量环境中超声波的速度是不变的，当液位计稳定工作之后，可将校准探头测得的参数进行设定，电路只需要控制测量探头即可，以进行液位的可靠测量，未使用的探头进行休眠处理，整体上降低了整体的探头功耗。

在限制能量方面，主要采取以下几个方面进行相关的设计：

单片机具有可靠性高、功耗低、扩展灵活、体积小、价格低和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表、专用设备智能化管理及过程控制等领域,MSP430单片机的电源电压采用1.8V～3.6V低电压，RAM数据保持方式下耗电仅0.1μA；同时该单片机集成了较丰富的片内外设，并应用片上外围模块，有效的降低了整体的系统功耗。

主控电路降低能量的方式，采用超低功耗的MSP430单片机信号控制hart协议解析；并充分利用430单片机的片内资源，采用片内的ADC、比较器用来简化外围电路以降低功耗。

显示部分采用超低功耗的LCD、干簧管进行功耗限制，LCD显示是一种极低功耗的显示器件，其工作电流小、重量轻、功耗低、寿命长，字迹清晰美观，在便携式仪表以及低功耗应用的较高档仪器仪表中被广泛采用。

针对危险环境、压力容器难测量的问题，主要采用外贴式安装进行相对应的测量，容器是铁磁性容器时，测量探头和校准探头采用磁力直接吸附在铁磁性容器壁外侧；容器是非铁磁性容器时，测量探头和校准探头粘接贴合在容器壁外侧，或者通过连接座固定在容器壁外侧。

以上给出的实施例是实现本发明较优的例子，本发明不限于上述实施例。本领域的技术人员根据本发明技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种本安两线制HART超声波外测式液位计，其特征在于，包括设置于待测罐体外侧分别与外测液位计处理器相连接的测量探头和校准探头；外测液位计处理器通过两线制的供电和输出共用传输线分别与显示器、监控单元相连接；

所述的外测液位计处理器包括一端分别与测量探头和校准探头相连的两组发射控制电路和接收调理电路，发射控制电路、接收调理电路的另一端分别与MCU相连，在MCU控制下发射控制电路驱动测量探头、校准探头产生超声波信号，超声波信号受到液面反射产生回波，回波信号通过测量探头和校准探头反馈至接收调理电路；接收调理电路将产生的回波喜好传递给MCU进行控制，MCU通过环路电流进行输出控制，或者传送给HART处理单元进行协议解析再传递至环路电流输出进行控制，再在显示器或监控单元进行显示或远程输出。

2.如权利要求1所述的本安两线制HART超声波外测式液位计，其特征在于，所述的HART处理单元采用HART协议进行控制，外测液位计处理器保持4-20mA标准控制信号。

3.如权利要求1所述的本安两线制HART超声波外测式液位计，其特征在于，所述的HART处理单元在不中断过程信号的情况下，在同一模拟回路上同时进行数字通信。

4.如权利要求3所述的本安两线制HART超声波外测式液位计，其特征在于，所述的数字通信采用数字FSK信号相位连续进行传输，平均值为0。

5.如权利要求1所述的本安两线制HART超声波外测式液位计，其特征在于，所述的测量探头和校准探头实现自校准测量：

已知待测罐体的罐径为D，则有D＝V’×t’/2 (1)

其中，t’为校准探头发射的声波由发射至返回应用的时间；

设待测液位为h，则有h＝V×t/2 (2)

t为测量探头发射的声波由发射至返回应用的时间，在同一测量介质中式(1)中的V和式(2)中的V’是相同的，故：

h＝2D/t’×t/2，即：h＝D×t/t’.

液位值h仅与声波反射的测量时间相关。

6.如权利要求1所述的本安两线制HART超声波外测式液位计，其特征在于，测量探头安装在罐壁底部，校准探头安装在有液部分的罐子侧壁外，校准探头依罐体进行安装位置调节，由液位计处理器通过发射控制电路探头激发探头产生声波信号。

7.如权利要求1所述的本安两线制HART超声波外测式液位计，其特征在于，MCU通过模拟开关对校准探头、测量探头进行分时供电控制，对未使用的校准探头或测量探头进行休眠处理。

8.如权利要求1所述的本安两线制HART超声波外测式液位计，其特征在于，所述的外测液位计处理器与其供电电源之间还设有安全栅。

9.如权利要求1所述的本安两线制HART超声波外测式液位计，其特征在于，所述的HART处理单元采用MSP430单片机信号控制HART协议解析。

10.如权利要求1所述的本安两线制HART超声波外测式液位计，其特征在于，所述的显示器还采用超低功耗的LCD干簧管进行功耗限制。