基于HAR丁协议的智能金属浮子流量计的研究硕士学位论文(48页).docx

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1、-基于HAR丁协议的智能金属浮子流量计的研究硕士学位论文-第 48 页硕士学位论文论文题目：基于HAR丁协议的智能金 属浮子流量计的研究作者姓名柳颖指导教师陈章位教授学科(专业)机械电子工程所在学院机械与能源工程学院Dissertation Submitted to Zhejiang UniversityFor the Degree of Master of ScienceThe Research On An Intelligent Variable-areaFlow-meter Based On Hart ProtocolCandidate:Lin YinAdvisor:Prof. Chen

2、 ZhangweiSpecialty:Mechatronics EngineeringCollege: Mec卜anicaland Energy EngineeringGraduate School of Zhejiang University Hangzhou P.R.C. March 2006学号20308113独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得*t k全.或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何

3、贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名:*T较签字日期:，“年;”了日学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解ksmk匕有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝丝.人生一可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 (保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名:钾 ik3月g-日导师签名:签字日期:加，占年签字日期今两今知塌学位论文作者毕业后去向:工作单位:14 4 rat, *Al it- -弄1-11哪通讯地址:-

4、At iT-ti Nt- 1) 4井电话:adl一islwb邮编:ozo10l3分7浙江大学硕士学位论文摘要 浮子流量计是以浮子在垂直锥形管中随着流量变化而升降，改变它们之间的流通面积进行测量的体积流量仪表，又称转子流量计。在美国、日本常称作变面积流量计(Variable Area Flow-meter)或面积流量计。浮子流量计原理设想发源于19世纪60年代，20世纪初出现商品。据有关资料显示，英国1985年统计出在流量仪表行业，浮子流量计的应用己占到19.2%，我国这几年来，浮子流量计的生产和应用也呈明显的上升趋势。 本文研究内容如下: 第一章阐述了流量技术的现状与发展，介绍了浮子流量计的工

5、作原理和结构，简单介绍HART协议，目前常用的几种工业总线、总线在现代工业控制方面的应用等。重点介绍HART协议是由模拟系统向数字系统转变过程中唯一向后兼容的智能仪表解决方案，最后提出了基于HART协议的智能金属浮子流量计的技术路线。 第二章详细论述流量信号的采集和处理。包括新型磁阻传感器的选择应用、流量信号的幅值放大处理及流量信号数字滤波方法，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。介绍了几种用微处理器实现信号线性化处理的方法，指出本课题设计中适宜选择的方法为分段线性插值法，采用数字式非线性校正，简化了电路结构和程序设计。 第三章阐述了模拟二线制4-20mA输出金属浮子流量计

6、的设计方法。从介绍二线制4-20mA标准开始，指出要满足设计要求必须要采用低功耗系统的设计思想。最后从硬件和软件设计两个方面介绍了流量的低功耗设计方法，特别是采用低功耗设计原则和方法设计出低功耗的智能金属浮子流量变送器。 第四章详细介绍了基于HART协议的智能浮子流量计的设计。包括HART通信协议的介绍，从物理层、数据链路层和应用层详细介绍了HART协议;以及从硬件电路和软件设计方面介绍了基于HART协议的浮子流量计的实现方法。采用计算机软件实现金属浮子流量计的标定和HART协议的通信。 第五章阐述了流量计的智能化设计。包括流量计表盘的设计方法、流量计乡浙江大学硕士学位论文的标定过程及利用单片

7、机完成累计流量值的显示功能。 最后总结整个论文，提出了进一步研究的内容。关键词:智能金属浮子流量计，非线性修正，低功耗设计，HART协议，硬件电路，软件设计沪浙江大学硕士学位论文Abstract The flow-meter in which a floater can ascend or drop in a vertical taper pipe withthe changing of flux. This flow-meter is a volume flux meter measuring the fluxthough changing the area of the floater a

8、nd the vertical taper pipe ,it is also calledrotor flow-meter. In America and Japan, this flow-meter is usually called variable areaflow-meter. The principium of this variable area flow-meter came forth in 1960s, inthe beginning of the twentieth century the first merchandise appeared. Relevant datai

9、ndicated that in 1985 the proportion of variable area flow-meter took up 19.2% of allkinds of flow-meters in Britain. In our country these years, the production and theapplications of variable area flow-meter are also rising obviously. This thesis will research into these problems. In chapter one, t

10、he thesis expounds the recent development in flow measuring,describes the operational principle and structure. The thesis also introduces HARTprotocol in brief, and introduces several kinds of field-bus in common use presently.The thesis indicates that the HART protocol provides a uniquely backward

11、compatiblesolution for smart instrument communication as both 4-20mA analog and digitalcommunication signals are transmitted simultaneously on the same wiring. Technicalproposal is also given in this chapter. In chapter two, the thesis narrates how to collect and dispose the signal of flux,which inc

12、ludes the choice of new magnetic angular displacement sensors, theamplitude adjustment circuit and the method of digital filter. This thesis alsointroduces several methods of realizing linearity of signals with micro-computers. Themethod of inserting data by subsection linearity is the most appropri

13、ate. In chapter three, the thesis expounds how to design the metal variable-areaflow-meter of 4-20mA analog signals. With the beginning of introducing the criterionof two-line 4-20mA, the thesis describes the low-power realization by using modernIII丫浙江大学硕士学位论文low-power technology. The thesis also di

14、scusses the hardware design and the softwaredesign. In chapter four, the thesis talks about the design of intelligent variable-areaflow-meter -based on HART protocol., which including the HART protocol, thephysical layer, the data link layer and the application layer of the HART, discussingthe hardw

15、are design and the software design. In chapter five, the thesis expounds the intelligent design of variable-areaflow-meter, which including the design of dial plate ,the demarcating process offlow-meter and the displaying the accumulative total. At last, summarized the total thesis and introduced so

16、me theories that need moreresearches.Keywords: intelligent metal variable-area flow-meter, non-liner revision ,lowpower consumption design，HART protocol ,hardware circuit，program designIV乙浙江大学硕士学位论文目录摘要.:. IABSTRACT . III第一章概述.1 1.1流量和流量计，1 1.1.1流量.1 1.1.2流量计，一2 1.2浮子流量计。，7 1.2.1浮子流量计概述。.，.7 1.2.2浮子

17、流量计的工作原理和结构. 81.3 HARZ，协议概述，。，101. 4研究内容与创新点. 12 1.4.1技术现状.12 1.4.2研究内容.12 1.4.3创新点.13第二章流量信号的采集与预处理. 14 2.1磁阻传感器的选择.14 2.2流量信号的预处理. 16 2.2.1输出信号放大.16 2.2.2数字滤波技术。，.，一，.18 2.2.3流量信号的线性化处理.、 .21 2.3线性插值法在金属浮子流量计中的应用. 24 2.4仪表精度的规定。一28第三章二线制4-20MA金属浮子流量计变送器的设计293.1二线制4-20MA标准一293.2单片机系统中低功耗的设计与实现. 30

18、3.2.1低功耗设计的硬件实现. .30 3.2.2低功耗设计的软件实现. .343. 3二线制4-20MA变送器，35 3.3.1系统硬件设计.， . 35 3.3.2系统软件设计. 39第四章HART协议的设计. 43 4.1 HART通信协议简介. 43浙江大学硕士学位论文4.1.1物理层. 444.1.2数据链路层. .45八U nU一6心Jl、J工、4.1.3应用层4.2 HART通信模块的硬件设计4.3 HART协议通信软件设计第五章金属浮子流量计的智能化设计. 60们，l八j20了O产O流量计指示表盘的设计浮子流量计的标定LCD数据显示，l，了l气口、J翻IJ八食.-之一。白已户

19、弃寿朴序一，任王之决曰了了夕奋/丫早.J讨弃日二习厅之目兰.，.，.，.二。”.，二”.，.“二00附录金属浮子流量计实物图. 69参考文献70硕士期间发表的学术论文. 76致谢”8)浙江大学硕士学位论文第一章概述 在工业生产中，流量、压力和温度并列为三大检测参数。流量测试仪表是工业自动化和装置中的大类仪表之一。它广泛应用于国民经济各个领域，是发展工农业生产、节约能源、改进产品质量、提高经济效益和管理水平的重要工具，在国民经济中占有重要的地位210 工业自动化仪表和装置中流量仪表具有两大功用:一是作为工业自动化控制系统的检测物料参数的总量表;二是在工业自动化控制系统中只要有流体的系统，都需要进

20、行流量检测和控制。总之，流量计量仪表是能源管理和经济核算中不可缺少的工具210 随着工业技术的发展，需要测量的流体日趋多样化，对流量测量的准确度要求越来越高。被测流体有气体、液体和混合流体，流体的粘度有高有低，流体的测量条件从高温到低温、从低压到高压，被测介质可能呈层流、紊流、脉动流、混相流等各种流体状态，流体的流量范围很宽从微小流量到大流量。为此，要根据被测流体的种类和流动状态以及测量场所等条件，研究各种相应的测量方法。由于测量的复杂性，流量测量仪表已经成为工业过程检测控制仪表中品种最为繁多的一类仪表。各种流量仪表，有着各种不同的测量原理和结构特征，其使用方法也各不一样。因此，测量流量时，事

21、先必须充分研究测量条件，选用适合于相应条件的流量仪表21,24101.1流且和流量计1.1.1流量 流量就是在单位时间内流体通过一定截面积的量。这个量用流体的体积来表示称为瞬时体积流量(争)，简称体积流量;用流量的质量来表示称为瞬时质量流量(、功)，简称质量流量ilJ510浙江大学硕士学位论文流量的表达式是: dV，.Vq,二一下.二iim一丁， a了At -40凸了(1一1) dm二mq.“丽=lllmAt-0丁一Pq,(1-2) 从ti到t2时间内流体体积流量或质量流量的累积值称为累积流量，其数学表达式为:V=玲qvdtm=f t2t, qmdt(1-3)(14)式中:qv:体积流量，m3

22、/sqm:质量流量，kg/sV:流体体积，m3m:流体质量，kgt:时间P:流体密度，kg/m3U:管道内平均流速，m/sA:管道横截面积，m21.1.2流量计 流量计量是对在一定通道内流动流体流量进行测量的统称。流量测量的流体是多样化的，如测量对象有气体、液体和混合流体;流体的温度、压力、流量均有较大的差异，要求的测量准确度也各不相同。因此，流量测量的任务就是根据测量目的，根据被测流体的种类、流动状态、测量场所等测量条件，研究各种相应的测量方法，并保证流量计量值的正确传递l，30 流量传感器和温度、压力传感器并列，堪称是最重要的传感器之一。它和别浙江大学硕士学位论文的传感器不同，将流量传感部

23、分和显示或变换成标准信号的指示变换部分合二为一，通称为流量计。在ISA(美国仪器学会)51.1 (1976)文件中给出的定义如下:流量计是在一个敞开或封闭的管道中测量流动流体的流量或总量的仪表，它通常包括一个一次仪表和一个二次仪表f710 为了适应不同的介质条件、环境条件和使用要求，各种流量计量的仪表应运而生。在下文中根据测量方法和结构将现在常见的流量计产品诸如:电磁流量计、差压式流量计、涡街流量计和容积式流量计等一一加以简单介绍，然后在下文中详细介绍本课题所研究的浮子流量计及基于HART协议的智能浮子流量计。1、电磁流量计 电磁流量计(以下简称EMF)是利用法拉第电磁感应定律制成的一种测量导

24、电液体体积流量的仪表。50年代初EMF实现了工业化应用，近年来世界范围EMF产量约占工业流量仪表台数的5%-6.5%0 70年代以来出现键控低频矩形波激磁方式，逐渐替代早期应用的工频交流激磁方式，仪表性能有了很大提高，得到更为广泛的应用f810 电磁流量计的工作原理是基于法拉第电磁感应定律的，简单的说就是当导电流体导体)流过电磁流量计磁场时(切割磁力线)，在与流速和磁场两者相垂直的方向就会产生与平均流速成正比的感应电动势，该感应电动势由电磁流量计管壁上的一对电极检测，然后可以计算出流量81-f91 EMF的测量通道是一段无阻流检测件的光滑直管，因不易阻塞适用于测量含有固体颗粒或纤维的液固二相流

25、体，如纸浆、煤水浆、矿浆、泥浆和污水等。EMF不产生因检测流量所形成的压力损失，仪表的阻力仅是同一长度管道的沿程阻力，节能效果显著，对于要求低阻力损失的大口径供水管道最为适合。EMF所测得的体积流量，实际上不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率(只要在某阂值以上)变化明显的影响。EMF测量范围度大，通常为20: 150: 1，可选流量范围宽。其测量口径范围比其他品种流量仪表宽，从几毫米到3m。可测正反双向流量，也可测脉动流量。 但是EMF不能测量电导率很低的液体，如石油制品和有机溶剂等。不能测量气体、蒸汽和含有较多较大气泡的液体。通用型EMF由于衬里材料和电气绝缘材料限制，不能用于较高温度的液

26、体;有些型号仪表用于过低于室温的液体，浙江大学硕士学位论文因测量管外凝露(或霜)而破坏绝缘。 EMF应用领域广泛，大口径仪表较多应用于给排水工程。中小口径常用于固液双相等难测流体或要求高的场所，如测量造纸工业纸浆液和黑液、有色冶金业的矿浆、选煤厂的煤浆、化学工业的强腐蚀液以及钢铁工业高炉风口冷却水控制和监漏，长距离管道煤的水力输送的流量测量和控制。小口径、微小口径常用于医药工业、食品工业、生物工程等有卫生要求的场所。2,涡街流量计 涡街流量计(以下简称VSF)是在流体中安放一根(或多根)非流线型阻流体(bluff body)，流体在阻流体两侧交替地分离释放出两串规则的旋涡，在一定的流量范围内旋

27、涡分离频率正比于管道内的平均流速，通过采用各种形式的检测元件测出旋涡频率就可以推算出流体的流量1l0 早在1878年斯特劳哈尔(Strouhal)就发表了关于流体振动频率与流速关系的文章，斯特劳哈尔数就是表示旋涡频率与阻流体特征尺寸，流速关系的相似准则。人们早期对涡街的研究主要是防灾的目的，如锅炉及换热器钢管固有频率与流体涡街频率合拍将产生共振而破坏设备121。涡街流体振动现象用于测量研究始于20世纪50年代，如风速计和船速计等。60年代末开始研制封闭管道流量计一涡街流量计，诞生了热丝检测法及热敏检测法VSFo 70, 80年代涡街流量计发展异常迅速，开发出众多类型阻流体及检测法的涡街流量计，

28、并大量生产投放市场。 当在流体中插入一个与流动方向垂直的柱状阻挡体时，则在阻挡体下游会交替地产生两列内旋的漩涡，称之为“卡门涡街”。产生涡街的柱状阻挡体称之为漩涡发生体，在一定的雷诺数范围内漩涡的释放频率f与流体流速V及漩涡发生体的迎流面宽度d之间有:12-13 f=S,V/n式中Sr为斯特劳哈而(Strouhal)数，它是一个无量纲的常数。从上式可以看出，只要准确测出频率f，就可以测流体流速V = fd IS,，从而达到测量管道内流体流量的目的，即Q= f /K (K为仪表系数)。涡街流量计结构简单牢固，安装维护方便，适应流体种类多，精确度较高，浙江大学硕士学位论文压力损失较小，输出与流量成

29、正比的脉冲信号，适合于总量计量，无零点漂移。但是VSF不适用于低雷诺数测量，故在高粘度、低流速、小口径情况下应用受到限制140 我国VSF的生产亦有飞速发展，全国生产厂达数十家。应该看到，VSF尚属发展中的流量计，无论其理论基础或实践经验尚较差。至今最基本的流量方程经常引用卡曼涡街理论，而此理论及其一些定量关系是卡曼在气体风洞(均匀流场)中实验得出的，它与封闭管道中具有三维不均匀流场其旋涡分离的规律是不一样的。至于实践经验更是需要通过长期应用才能积累。一般流量计出厂校验是在实验室参考条件下进行的，在现场偏离这些条件不可避免。 3、差压式流量计 差压式流量计(以下简称DPF)是根据安装于管道中流

30、量检测件产生的差压、己知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来测量流量的仪表。DPF由一次装置(检测件)和二次装置(差压转换和流量显示仪表)组成。通常以检测件的型式对DPF分类，如孔扳流量计、文丘里管流量计及均速管流量计等。二次装置为各种机械、电子、机电一体式差压计，差压变送器和流量显示及计算仪表，它己发展为三化(系列化、通用化及标准化)程度很高的种类规格庞杂的一大类仪表。差压计既可用于测量流量参数，也可测量其他参数(如压力、物位、密度等)151.0 DPF按其检测件的作用原理可分为节流式、动压头式、水力阻力式、离心式、动压增益式和射流式等几大类，其中以节流式和动压头式应用最为广泛。节流式DPF

31、的检测件按其标准化程度分为标准型和非标准型两大类。所谓标准节流装置是指按照标准文件设计、制造、安装和使用，无须经实流校准即可确定其流量值并估算流量测量误差，非标准节流装置是成熟程度较差，尚未列入标准文件中的检测件15-160 20世纪90年代中后期世界范围内各式DPF销售量在流量仪表总量中台数占50%-60%(每年约百万台)，金额占 30%左右。我国销售台数约占流量仪表总量(不包括家用燃气表和家用水表及玻璃管浮子流量计)的35%-42%(每年6万一7万台)。 节流式DPF应用范围极广泛，至今尚无任何一类流量计可与之相比。全部单相流体，包括液、气、蒸汽皆可测量，部分混相流，如气固、气液、液固等亦

32、浙江大学硕士学位论文可应用，一般生产过程的管径、工作状态(压力，温度)皆有产品。检测件，特别是标准型的，是全世界通用的，并得到国际标准组织的认可。对标准型检测件进行的试验研究是国际性的，其他流量计一般仅依靠个别厂家或研究群体进行，因此其研究的深度和广度不可同日而语。正是由于上述原因，标准型节流式DPF无需实流校准，即可投用，在流量计中亦是惟一的。但其缺点主要在于:测量重复性、精确度在流量计中属中等水平，压力损失大，测量范围窄，现场安装条件高等。 尽管目前差压式流量计的使用量位居首位，但由于各种新型的流量计的问世，使用量百分数逐渐下降。 4、容积式流量计 容积式流量计又称排量流量计(positi

33、ve displacement flow-meter)，简称PD流量计或PDF，在流量仪表中是精度最高的一类。利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分，根据计量室逐次、重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流量体积总量。PD流量计一般不具有时间基准，为得到瞬时流量值需要另外附加测量时间的装置。定排量测量方法可追溯到18世纪，20世纪30年代进入普遍商业应用i71a PDF从原理上讲是一台从流体中吸收少量能量的水力发动机，这个能量用来克服流量检测元件和附件转动的摩擦力，同时在仪表流入与流出两端形成压力.降。PD流量计按其测量元件分类，可分为椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、刮板流量

34、计、螺杆式(双转子)流量计、旋转活塞流量计等;10 PDF计量精度高，基本误差一般为10.5 % R，特殊的可达+0.2%R或更高。通常在昂贵介质或需要精确计量的场合使用。PDF在旋转流和管道阻流件流速场畸变时对计量精确度没有影响，没有前置直管段要求。因此在现场使用中有重要的意义。且PDF流量计可用于高粘度流体的测量，PDF是直读式仪表，无需外部能源，可直接获得累计总量，清晰明了，操作简便。 但是PDF结构复杂，体积大，笨重，尤其较大口径PDF体积庞大，故一般只适用于中小口径。与其他几类通用流量计(如差压式、浮子式、电磁式)相比，PDF的被测介质种类、介质工况(温度、压力)、口径局限性较大，适应范围窄。由于高温下零件热膨胀、变形，低温下材质变脆等问题，PDF一般不适用于高低浙江大学硕士学位论文温场合。目前可使用温度范围大致在一30-+1600C，压力最高为lOMPa。大部分PDF仪表只适用洁净单相流体，含有颗粒、脏污物时上游需装过滤器，既增加压损，又增加维护工作:如测量含有气体的液体必须装设气体分离器。PDF安全性差，如检测活动件卡死，流体就无法通过，断流管系就不能应用。但有些结构设计(如Instromet公司腰轮流量计)在壳体内置一旁路，当检测活动元件卡死，流体可从旁路通过。部分形式PDF