旋进旋涡流量计的输出信号电路设计与存在问题

摘要: 旋进旋涡流量计的两线制 4 ～ 20m A 输出的稳定性问题直接关系仪表的精度以及与 DCS 系统的连接，通过提出一种基于以 Upc151 为数模转换器( DAC) 的 4 ～ 20m A 电流环路输出电路，有效解决了输出的稳定性问题，通过实证研究说明该电路和 DCS 系统的连接也非常可靠．
智能旋进漩涡流量计是集流量、温度、压力检测功能于一体的新一代流量计．智能旋进漩涡流量计的测量原理是当沿着轴向的流体流经传感器入口时，在漩涡发生体的作用下，被强制围绕中心线旋转，产生漩涡流，漩涡流在文丘利管中旋进，到达收缩段突然节流后，使漩涡流加速; 当通过扩散段时，漩涡中心沿一锥形螺旋线进动．此时，漩涡中心通过检测点的进动频率与流体的流速成正比．由压电传感器检测到的漩涡流进动频率信号经放大、滤波、整形后转换成流量值进行就地显示或信号选择．信号经前置放大器放大、滤波、整形转换为与流速成正比的脉冲信号，然后再与温度、压力等检测信号一起被送往微处理器进行积算处理，***后在液晶显示屏上显示出测量结果( 瞬时流量、累积流量及温度、压力数据) ．［1］

旋进漩涡流量计的结构特点: 对于气体的计量，由于其密度受温度、压力的影响较大，为了能准确计量气体介质的体积流量，必须同时跟踪检测介质的温度和压力，并将不同工况下的气体流量转换成标准状态下( P = 101． 325k Pa，

T = 293． 15K) 的体积流量．随着科技发展，旋进漩涡流量计已由非智能型发展到智能型，功能进一步完善，稳定性也进一步加强．［2］

1、旋进漩涡流量计目前存在问题及解决方案：
1.1、目前存在问题：
( 1) 截止频率的设定．设置截止频率是由用户根据计量现场的生产变化情况自行确定仪表的始动流量．如果截止频率设定的太高，那么仪表的始动流量相应增大，为此就可能造成流量的漏计现象发生．如果截止频率设置太低，那么仪表的敏感程度相应提高，外界的一些微弱振动或杂散信号就可能导致在没有被测介质通过的情况下仪表开始动作，于是流量的多计现象就不可避免．
( 2) 对噪声或振动等干扰信号较为敏感．如果在靠近测量仪表的附近存在着较强的磁场或在仪表测量端的上游存在明显的噪声扰动，那么仪表的运行将受到一定程度的影响．
( 3) 两线制输出的宽电压适应能力及稳定性问题．电源接反、超压、浪涌是电源常见问题，应有效克服．而稳定性是仪表设计中首要应考虑的问题．因为工业实际现场多为环境恶劣，对可靠性、稳定性要求非常高．［3］
1． 2、解决方案：
截止频率的设定问题通过量程比的合理设定可得到解决，噪声干扰问题可通过如下两种方式解决:( 1) 仪表安装位置尽量选在无管道振动或振动小的位置，振动加速度不能大于 2g，如振动大则需采取减振措施; ( 2) 传感器的上游和下游必须有足够的直管段．

而针对两线制输出的宽电压适应能力及稳定性问题，设计了一种通过串行输入 4 ～ 20m A 电流环路输出电路，数模转换器采用日本 NEC 公司 Upc151，16 位数字信号以串行方式输入，经数模转换后以 4 ～20m A 电流形式输出．它非常适用于智能变送器的设计，在主控设备与智能变送器之间可同时实现 4 ～20m A 模拟通信和在 HART 协议下的数字信号通信．

Upc151 是日本 NEC 公司推出的一种单片高性能数模转换器( DAC) ．是一种稳定性高，宽输入电压范围，并不需要相位校正电路的运算放大器电路．可实现输出短路保护，自动调整偏差，可以使用广泛的不同类型的反馈放大器电路，进行电路比较．

Upc151 采用工业标准 8 脚封装，引脚排列图如图 1 所示．Upc151 由电流环路供电，16 位数字信号以串行方式输入，4 ～ 20m A 电流输出，可实现低成本的远程智能工业控制． Upc151 内部含有电压调整器可提供 + 5V，+ 3． 3V 输出电压，还含有 + 2． 5V 基准电源，均可为其自身或其他选用． Upc151 与标准 HART 电路或其他类似 FSK 协议的电路完全兼容． 4 ～ 20m A 串行接口可在 10Mbps 下运行，便于与通用微处理器相连．

Upc151 特点:
( 1) 具有频率补偿特性( 典型值) : ± 输入失调电压为 1 m V;
( 2) 输入电压范围( 典型值) : 宽输入失调电流 ± 20 n A 时，不会发生闭锁;
( 3) 具有 80 n A 的输入偏置电流偏置调整( 典型值) ;
( 4) 具有内置的输出短路保护电路;
( 5) 电压的反向连接可以造成破坏;
( 6) 加到输入端的输入电压范围，不能超过额定值，甚至是短暂的状态，如电源 ON / OFF;
( 7) 运算放大器的正常运作输入电压范围: + 2V ～ + 5 ± 0． 5V( 典型值) ．
本转换电路中核心器件 Upc151 引脚及等效电路如图 2、图 3 所示．
图 1 upc151 贴片封装引脚图图 2 upc151 引脚图

图 1 upc151 贴片封装引脚图图 2 upc151 引脚图

2、电流环路输出电路设计及电路特点：
2． 1、电流环路输出电路硬件设计：

串行输入 4 ～ 20m A 电流环路输出数模转换器，即通过设置让单片机 MSP430F149 的一个 I/0 输出端口作为 PWM 信号的输出端，在一个周期 T 内，通过软件方式使 I/0 输出端口产生一个开启和关闭的 PWM信号．它的脉冲宽度 tp是与数字化的测量信号值相关联的，数模转换器采用日本 NEC 公司 Upc151，16 位数字信号以串行方式输入，经数模转换后以 4 ～ 20m A 电流形式输出．具体电路如图 4 所示．

图 4 电流环路两线制输出电路

2． 2、电流环路输出电路软件设计：
PWM 计算，输出:void Pwm Out( float f1){float Pwm，

i，

k，

j;unsigned int PWM;k = Pmax + Mp1． AH* Ki;i = Mp1． AL* Ki;

j = ( f1 － Mp1． Fo) / ( Mp1． Fs － Mp1． Fo) ; / / 与限值比较if( j ＜ 0)j = 0;if( j ＞ 1)j = 1;Pwm = j* k;j = Pwm* 0． 8 + k* 0． 2 + i;if( Mp1． U = = 1){Pwm = j;}else{Pwm = Pwm + 1;PWM = ( unsignedint) Pwm;}}

2.3、电流环路输出电路特点：
串行输入 4 ～ 20m A 电流环路两线制输出是模拟量串口中较先进的输出方式，在实际使用中的***大优点是低阻抗传输线对电气噪声不敏感，而且易实现光电隔离，且传输距离很长．此外由于电流源输出电阻很大，使感应到导线环路内的电压对信号产生的影响比较小，所以使用双绞线就能降低干扰; 并且传输信号受寄生热电偶和温漂的影响小; 电流源内阻很大，导线电阻串联在回路中不影响测量精度，在普通双绞线上可以传输数百米．上限取 20m A 是因为防爆的要求，20m A 的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯，不会发生爆炸．

3、结语：
工业上测量的各类非电物理量，例如温度、压力、速度、流量等，都需要转换成模拟量电信号才能传输到几百米外的控制室或显示设备上．由于串行输入 4 ～ 20m A 电流环路输出电路的抗干扰性能，传输长度长，信号稳定性好，易于实现防雷防爆等特点满足了旋进旋涡流量计信号输出的要求，有效解决了两线制输出的宽电压适应能力及稳定性问题，经投入市场使用，效果较好．

旋进旋涡流量计的输出信号电路设计与存在问题

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