CN201514244U - Hart协议的热扩散原理流量传感器 - Google Patents
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Abstract
一种HART协议的热扩散原理流量传感器，包括处理器、流量信号采集单元和通信电路，所述流量信号采集单元的信号输出端连接处理器的信号输入端，处理器的通信接口和通信电路连接，其所述通信电路是HART通信模块。本实用新型可在不影响流量的条件下按需要进行实时监控，能在恶劣的工件下长期可靠工作，安装时无须考虑安装的位置和介质的流向。本实用新型可对气体、液体等流量进行监控，使用时简单地插入管线或容器中，调节设置点到期望的流速控制点即可，可以通过配接不同的管道直径，来监控不同大小的流量。
Description
技术领域
本实用新型涉及工业自动控制领域，适用于流量传感器技术领域，特别是一种HART协议的热扩散原理流量传感器。
背景技术
流量传感器用于流量监控系统中，当流速达到设定的流速阀值时，输出功率开关控制信号，用于启动连锁保护系统；或是通过模拟和数字量直接输出检测信号，由工业控制系统检测并控制。在工业自动化过程控制中，有时为了达到远程监视的要求，流量传感器输出1～5V或4～20mA的模拟信号，但信号的精度较低且传输过程中易受干扰；有些流量传感器采用串口通信的方式传输采集信号，没有模拟量信号的输出。由于模拟现场还保留很多现役模拟设备，受原投资保值的限制，从模拟传感器到全数字智能传感器的更新还需要很长一段时间，在此期间，开发出一种能兼容模拟信号和数字信号的智能流量传感器将具有十分重要的现实意义。
HART(Highway Addressable Remote Transducer)可寻址远程传感器高速通道的开放的通信协议，是美国Rosemout公司于1985年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议。HART装置提供具有相对低的带宽，适度响应时间的通信。HART技术在国内外已经十分成熟，并已成为全球智能仪表的工业标准。HART协议采用基于Bell202标准的FSK频移键控信号，在低频的4～20mA模拟信号上叠加幅度为0.5mA的音频数字信号进行双向数字通讯，数据传输速率为1.2Mbps。由于FSK信号的平均值为0，不影响传送给控制系统模拟信号的大小，保证了与现有模拟系统的兼容性。
发明内容
为提高工业现场模拟信号的精度和传输的可靠性，兼容现役模拟设备，本实用新型提出了一种HART协议的热扩散原理流量传感器，具体技术方案如下：
一种HART协议的热扩散原理流量传感器，包括处理器、流量信号采集单元和通信电路，所述流量信号采集单元的信号输出端连接处理器的信号输入端，处理器的通信接口和通信电路连接，其所述通信电路是HART通信模块。
所述处理器还连接有人机接口电路。
所述流量信号采集单元是流量传感器，流量传感器包括流速感应电阻RF、温度感应电阻RT；温度感应电阻RT连接有基准电压；电阻RT、RF分别连接差动放大器的两输入端，差动放大器输出端经带通滤波器滤波器后，再经A/D转换器连接处理器。
所述外接电源接到DC/DC转换电路，DC/DC转换电路的输出端连接放大电路的输入端，放大电路的输出端即为基准电压端；所述放大电路的控制端连接处理器的输出端。
HART通信模块是由HART调制/解调器和D/A转换器为核心电路，辅以相应的外围电路构成。
HART调制/解调器是以HART调制解调器芯片为HT1200M。处理器为MSP430F135，内置12位A/D转换器。所述D/A转换器是AD421。
本实用新型可以通过4～20mA电流信号传递流量变化，而且使用HART协议数字通信的方式可以远程设置仪表参数、中间测量数据、校准参数等信息，以及通过HART通信传输流量变化的数字值。本实用新型既可实现独立控制，又可以作为分体流量传感器，连接现场总线组成集散式控制系统。本实用新型的设计方案使流量传感器的安装、操作、维护、接线更加方便，可靠性得到很大提高。本实用新型的结构框图如图1所示，它包括了流量传感单元、人机接口单元、HART通信单元和微处理器单元。
本实用新型的传感器部分主要完成对流量信号的采集，理论依据为热释原理，热扩散原理的理论公式：V∝Ksqrt(T)、T∝RT，其中V一流体流速、T—温度、RT热敏电阻由温度引起阻值。
可知，温度sensor阻值和流速是平方正比关系，利用这一原理，设置两个热敏电阻(温度sensor)，用恒压电源供电。由发热体持续发出恒定的热量，管道流速的快慢带走探头内部热量的多寡体现在热敏电阻的变化上，通过特殊电路将该变化转换为可被处理的电压信号，通过比较基准sensor与流量变化sensor电压力变化，经放大滤波处理，检测流量信号。
本实用新型可在不影响流量的条件下按需要进行实时监控，能在恶劣的工件下长期可靠工作，安装时无须考虑安装的位置和介质的流向。本实用新型可对气体、液体等流量进行监控，使用时简单地插入管线或容器中，调节设置点到期望的流速控制点即可，可以通过配接不同的管道直径，来监控不同大小的流量。
附图说明
图1是系统原理框图；
图2是本流量传感器电路原理图；
图3是HART通信模块电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步说明。
一种HART协议的热扩散原理流量传感器，包括处理器、流量信号采集单元和通信电路，所述流量信号采集单元的信号输出端连接处理器的信号输入端，处理器的通信接口和通信电路连接，其所述通信电路是HART通信模块。
所述处理器还连接有人机接口电路。
所述流量信号采集单元是流量传感器，流量传感器包括流速感应电阻RF、温度感应电阻RT；温度感应电阻RT连接有基准电压；电阻RT、RF分别连接差动放大器的两输入端，差动放大器输出端经带通滤波器滤波器后，再经A/D转换器连接处理器。
所述外接电源接到DC/DC转换电路，DC/DC转换电路的输出端连接放大电路的输入端，放大电路的输出端即为基准电压端；所述放大电路的控制端连接处理器的输出端。
HART通信模块是由HART调制/解调器和D/A转换器为核心电路，辅以相应的外围电路构成。
HART调制/解调器是以HART调制解调器芯片为HT1200M。处理器为MSP430F135，内置12位A/D转换器。所述D/A转换器是AD421。
信号采集部分为流量检测单元，设有两个热敏电阻和一个热源(发热体)，该热源在介质中引起一个局部温度升高，增加的温度由其中一个热敏电阻检测。只要介质流经热源，就吸收热源的热量，一个热敏电阻检测由此而得出的温度变化，用于流量的显示，为得到比较宽的线性范围，使变化的介质温度获得一个精确的测量结果，另外一个热敏电阻和汽室用于温度的补偿，从而得到比较宽的线性范围。本实用新型电路整体进行了抗干扰处理，包括电路板抗干扰和数字抗干扰技术，保证系统的可靠性。
中流量信号经由探头采集，通过放大电路放大后输入给单片机。经处理后，单片机会根据所设定的流量范围产生基准电压，从而保证采样电压为最佳精度值。对于输出信号，还附带有电流侦测功能，当电流超过既定量时，会提供过流保护。
具体实施如图2所示：流量传感器包括流速感应电阻RF、温度感应电阻RT(用于感应水温，产生基准电压)，温度感应电阻RT由基准电位产生器供电，电阻RT、RF分别连接差动放大器(应用现有的器件)的两输入端、差动放大器输出的信号经带通滤波器(由现有的高通滤波电路和低通滤波电路组成)滤波后与单片机连接内置的高精度A/D转换器。
微处理器采用了高性能、低功耗的16位MSP430处理器MSP430F135，它具有16K字节的系统内可编程Flash，512字节的片内SRAM，12位A/D转换器。MSP430F135通过三线接口CLOCK、DATA和LATCH将数字信号输入AD421，转换成4～20mA电流输出，输出从流量采集模块得到的流量值。MSP430F135的通用串行收发模块UART的接口信号包括载波检测OCD、HART解调输出ORXD、来自UART的HART调制输入ITXD和请求发送RTS；经过外部电阻电容和HT1200M内部电路完成接收信号的带通滤波和放大，用于解调；调制好的数据经过内部整形电路处理后由管脚OTXA输出，通过电容C5耦合到AD421内部，然后叠加到环路上传输；HART调制解调的时钟信号源于外接的晶体产生的振荡。
HART协议通信中，主要的变量或控制信息一般由4～20mA传送，另外的诸多的测量数据、设备参数、校准信息、诊断信息等通过HART协议传输，采用半双工通信方式。以HART协议通信模块需要完成测量结果的数字码到4～20mA模拟信号的D/A转换，以及上其他信息的HART协议数字通信。HART通信模块结构框图如图3所示。HART协议通信模块主要由HART调制解调器HT1200M和D/A转换器AD421及其外围电路实现。其中，AD421通过串行接口接收现场仪表内部MCU传送的数字信号，转换成4～20mA电流输出，输出主要的测量结果。HT1200M接收叠加在4～20mA环路上的信号，对其带通滤波和放大之后进行载波检测，带通主要有电阻R7、R10、R11和电容C8、C9、C10等元件构成。如果检测到FSK频移键控信号，则将1200Hz的信号解调为“1”，2200Hz信号解调为“0”，并通过串口通信传输给MCU，MCU接收命令帧并作相应的数据处理。之后，MCU产生要发回的应答帧，应答帧的数字信号由HT1200M调制成相应的1200Hz和2200Hz的FSK频移键控信号，并经过发送信号整形电路进行波形整形后，经AD421叠加在环路上发送。HT1200M是单片、半双工1200b/s速率的频移键控(FSK)调制解调器，Bell202标准的FSK频移键控信号，载波为1200Hz和2200Hz，内部集成了接收带通滤波器电路和发送信号波形整形电路。
本实用新型中当HT1200M接收时，从4～20mA环路上接收信号，经过带通滤波、放大整形后提取出FSK信号并解调为数字信号，传送给MCU；发送时，从MCU接收数据，进行调制和波形整形后耦合到AD421内部，通过AD421叠加到环路上。HT1200M和MCU通过后者的通用串行通信接口连接。
AD421是ADI公司推出的单片高性能数模转换器，主要由移位寄存器、电压调整器、数模转换器和电流放大器组成。电压调整器由运放、带隙基准和外接FET调整管组成，能够从环路中获取电流。数模转换器采用∑-ΔDAC结构，将16位数字码转换为4～20mA模拟电流。AD421在时钟信号的控制下，移位寄存器把DATA引脚上的数据逐次读入，转换为相应的电流信号，经过电容C5、C6、C7的三级滤波，满足HART信号截止频率双极点低通滤波特性。数模转换器输出的电流信号经过精密放大器放大，控制LOOP RTN引脚电流。
Claims (8)
1.一种HART协议的热扩散原理流量传感器，包括处理器、流量信号采集单元和通信电路，所述流量信号采集单元的信号输出端连接处理器的信号输入端，处理器的通信接口和通信电路连接，其特征是所述通信电路是HART通信模块。
2.根据权利要求1所述的HART协议的热扩散原理流量传感器，其特征是所述处理器还连接有人机接口电路。
3.根据权利要求1所述的HART协议的热扩散原理流量传感器，其特征是所述流量信号采集单元是流量传感器，流量传感器包括流速感应电阻RF、温度感应电阻RT；温度感应电阻RT连接有基准电压；电阻RT、RF分别连接差动放大器的两输入端，差动放大器输出端经带通滤波器滤波器后，再经A/D转换器连接处理器。
4.根据权利要求1所述的HART协议的热扩散原理流量传感器，其特征是所述外接电源接到DC/DC转换电路，DC/DC转换电路的输出端连接放大电路的输入端，放大电路的输出端即为基准电压端；所述放大电路的控制端连接处理器的输出端。
5.根据权利要求1所述的HART协议的热扩散原理流量传感器，其特征是HART通信模块是由HART调制/解调器和D/A转换器为核心电路，辅以相应的外围电路构成。
6.根据权利要求5所述的HART协议的热扩散原理流量传感器，其特征是HART调制/解调器是以HART调制解调器芯片为HT1200M。
7.根据权利要求1所述的HART协议的热扩散原理流量传感器，其特征是处理器为MSP430F135，内置12位A/D转换器。
8.根据权利要求5所述的HART协议的热扩散原理流量传感器，其特征是所述D/A转换器是AD421。
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