CN1712906A - 一种智能金属浮子流量计变送器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能金属浮子流量计变送器。包括传感器及放大电路，MSP430F149单片机处理电路，RS－485通讯接口电路，D/A转换电路及电源变换电路。D/A转换电路及电源变换电路，将外部接入的+24V电源转换为+3.3V电压给变送器上各个器件供电，流量计标定值的输入，经过RS－485接口电路将变送器与计算机的COM1口连接，直接写入流量计标定值。采用非接触式磁阻传感器避免接触式角位移传感器因磨损而发生信号丢失的现象，且具有高分辨率，低功耗，体积小的优点。对磁铁的温度系数和冲击和振动不敏感，承受传感器和磁铁之间间隙较大的变化。采用数字式非线性校正，简化了电路结构和程序设计。
Description
技术领域
本发明涉及金属浮子流量计变送器的非接触式测量技术和数字式智能非线性校正技术。
背景技术
在传统的金属浮子流量计变送器的设计中，金属浮子测量是采用接触式角度传感器，其测量过程是：流体通过流量计测量管道，推动金属浮子上下移动，以磁耦合的形式将浮子移动信息传递到外部指示器，指示器指针的旋转传递到机械式角位移传感器轴上，带动与之相连的扰流片/铁心，改变线圈中的感应电压，输出与旋转角度成比例的电压、电流信号。由于采用的是机械式角度传感器，使得传感器易发生磨损，从而导致在已经磨损的位置会出现信号的丢失。此外，流体测量过程中还存在着较严重的非线性特性，即通过金属浮子的流量与传感器输出电压间是非线性的，目前的非线性校正是采用电阻网络，其结构复杂，而且通过调节电阻值进行非线性校正，调节也相当繁琐。
发明内容
本发明的目的在于提供了非接触式角位移测量方法和数字式智能化非线性校正的一种智能金属浮子流量计变送器。
本发明采用的技术方案是：包括传感器及放大电路，MSP430F149单片机处理电路，RS-485通讯接口电路，D/A转换电路及电源变换电路；D/A转换电路及电源变换电路，将外部接入的+24V电源转换为+3.3V电压给变送器上各个器件供电，流量计标定值的输入，经过RS-485接口电路将变送器与计算机的COMl口连接，直接写入流量计标定值。
传感器及放大电路：包括Honeywell的磁阻传感器HMC1501，超低功耗CMOS运算放大器OPA4336，差分放大电路电阻R1～R6，传感器及放大电路的输出直接与单片机处理电路的A/D输入端口即P6.0/A0口相连；
单片机处理电路：包括MSP430F149芯片，晶振Y1，复位芯片MAX811及电阻R17，14芯JTAG接口，RS-485通讯接口电路连接在MSP430F149芯片的异步串行通信端口USARTO；
RS-485通讯接口电路：包括接口芯片MAX3483E；
D/A转换电路及电源变换电路：包括场效应管DN2540，AD421芯片，电容C7，C8，C9，C10，C11，C12，C13，C14和电阻R7，AD421芯片的LATCH，CLOCK和DATA端分别连接在单片机芯片MSP430F149的I/O口即P5.2、P5.3、P5.1，电源变换部分由场效应管DN2540和AD421芯片内部的电压调整电路实现，将+24V电压调整为+3.3V电压给变送器各器件供电。
变送器采用工业上通用的二线制标准，即输入电源线和输出信号线共用两根导线，变送器经由这两根导线将输出的4～20mA电流信号远传给外部设备。
本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：
1)采用非接触式磁阻传感器替代现有的接触式角位移传感器测量，不仅避免了接触式角位移传感器因磨损而发生信号丢失的现象，而且具有高分辨率，低功耗，体积小的优点。对磁铁的温度系数不敏感，对于冲击和振动不敏感，以及可以承受传感器和磁铁之间间隙较大的变化。
2)采用数字式非线性校正，简化了电路结构和程序设计。并且流量计标定值直接存储在单片机FLASH中的信息段内，减少了外挂E2PROM带来的额外电流消耗。
附图说明
图1是本发明的结构框图；
图2是传感器及放大电路原理图；
图3是单片机处理电路原理图；
图4是RS-485通讯接口电路原理图；
图5是D/A转换电路及电源变换电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，智能金属浮子流量计变送器的结构框图由附图1给出。它包括：传感器及放大电路1，MSP430F149单片机处理电路2，RS-485通讯接口电路3，D/A转换电路及电源变换电路4；D/A转换电路及电源变换电路(4)，将外部接入的+24V电源转换为+3.3V电压给变送器上各个器件供电，流量计标定值的输入，经过RS-485接口电路3将变送器与计算机的COM1口连接，直接写入流量计标定值。
如图2所示，传感器及放大电路1：包括HMC1501，运放OPA4336，电阻R1～R6。金属浮子位置的变化通过磁钢耦合到指示器内的环型磁体上，HMC1501感应角位移的大小，输出为典型的惠斯通电桥。输出的差分信号为几十毫伏级，经过单电源运放OPA4336构成的差分放大电路将此差分信号放大为0＜V＜3.3V大小。
如图3所示：MSP430F149单片机处理电路2，采用Ti公司的低功耗CMOS芯片MSP430F149。差分放大后的信号直接连到MSP430F149的A/D输入端口A0，片内集成的12位A/D转换器的参考电平取单片机工作电压3.3V。单片机的XIN和XOUT脚外接32K晶振，复位信号由MAX811产生。异步串行口(USART0)的TXD0与RXD0脚与RS485接口芯片的DI脚和RO脚分别相连，RS485工作状态控制信号(/RE，DE)由单片机的P4.1口给出。选择单片机的P5.1，P5.2及P5.3分别与D/A转换器AD421的DATA端，LATCH端和CLOCK端相连，输出瞬时流量信号。累计流量的显示采用8位液晶显示屏，自带显示缓存，使用时只要将单片机的I/O口直接与液晶模块的CLK端和DATA端相连。JTAG接口，用于单片机程序的下载和在线调试。
如图4所示：RS-485通讯接口电路3，包括芯片MAX3483，芯片的A，B输入端与外界232-485转换器相连，从计算机的COM1口接收标定数据值。
如图5所示：D/A转换电路及电源变换电路4，采用芯片AD421。电源变换部分由场效应管DN2540和AD421芯片内部的电压调整电路实现，将+24V电压调整为+3.3V电压给变送器各器件供电。AD421的D/A转换器，是一个16位串行输入的D/A，输出标准的4～20mA信号。
变送器采用工业上通用的二线制标准，即输入电源线和输出信号线共用两根导线，变送器经由这两根导线将输出的4～20mA电流信号远传给外部设备。
本发明主要应用于智能金属浮子流量计变送器。非接触式传感器的工业应用领域相当广泛，可以测量线位移、角位移、接近位置、阀门位置等。使用时务必将传感器至于磁场强度大于80高斯的场合中。同时，采用数字方法对变送器实施标定，将标定值安全存储，并依据标定值实现流量信号的分段线性化处理。具体方法是：选取流量值的几个点如流量最大点Qmax、0.75Qmax、0.5Qmax、0.25Qmax、Qmin，将这些点的标定值通过上位机输入单片机，单片机接收到数据后将其可靠保存在内部FLASH中。判断传感器输出的电压值在标定值的哪段范围内，然后在这段范围对采到的电压值进行线性化处理。
具体工作过程如下：当被测流体通过金属管浮子流量计时，金属管浮子的位置由永久磁钢制成的耦合管耦合至指示器内的环型磁体，角位移传感器无需与磁体相连，在一定的范围内感应磁场方向角的变化，通过变送电路将流量信号转换为4～20mA标准信号输出。变送器采用直流+24V供电，首先通过D/A转换电路及电源变换电路4输出3.3V电压给变送器上各器件供电。磁阻传感器输出典型惠斯通电桥，经过传感器及放大电路1将信号直接送入单片机的A/D输入端。由于通过金属浮子的流量与磁阻传感器的输出电压之间是非线性的，需要对流量计进行标定，通过软件实现非线性校正。标定值的个数根据流量计的精度要求确定，标定值由PC机通过RS-485接口电路3经由单片机的USART0端口送入单片机，存储在单片机FLASH中的信息段内。软件的核心即是根据标定值，对输入的流量信号进行分段的线性化处理。处理后的信号经过D/A转换电路及电源变换电路4输出4～20mA标准信号，并显示累计流量值。
Claims (2)
1、一种智能金属浮子流量计变送器，其特征在于包括：传感器及放大电路(1)，MSP430F149单片机处理电路(2)，RS-485通讯接口电路(3)，D/A转换电路及电源变换电路(4)；D/A转换电路及电源变换电路(4)，将外部接入的+24V电源转换为+3.3V电压给变送器上各个器件供电，流量计标定值的输入，经过RS-485接口电路3将变送器与计算机的COM1口连接，直接写入流量计标定值。
2、根据权利要求1所述的一种智能金属浮子流量计变送器，其特征在于：
1)传感器及放大电路(1)：包括Honeywell的磁阻传感器HMC1501，超低功耗CMOS运算放大器OPA4336，差分放大电路电阻R1～R6，传感器及放大电路(1)的输出直接与单片机处理电路(2)的A/D输入端口即P6.0/A0口相连；
2)单片机处理电路(2)：包括MSP430F149芯片，晶振Y1，复位芯片MAX811及电阻R17，14芯JTAG接口，RS-485通讯接口电路(3)连接在MSP430F149芯片的异步串行通信端口USART0；
3)RS-485通讯接口电路(3)：包括接口芯片MAX3483E；
4)D/A转换电路及电源变换电路(4)：包括场效应管DN2540，AD421芯片，电容C7，C8，C9，C10，C11，C12，C13，C14和电阻R7，AD421芯片的LATCH，CLOCK和DATA端分别连接在单片机芯片MSP430F149的I/O口即P5.2、P5.3、P5.1，电源变换部分由场效应管DN2540和AD421芯片内部的电压调整电路实现，将+24V电压调整为+3.3V电压给变送器各器件供电。
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