基于HART協議的智能金屬管浮子流量計

路宗強（承德石油高等專科學校,河北 承德067000）

基于HART協議的智能金屬管浮子流量計

路宗強
（承德石油高等專科學校,河北 承德067000）

摘 要：介紹了智能金屬管浮子流量計的設計思路，以及系統硬件及軟件設計。該流量計由于采用了高性能微處理器，一方面將HART協議移植到金屬管浮子流量計上實現總線通信，另一方面采用Kalman濾波方法，提高了流量計的精度。同時在產品的設計上采用模塊化設計降低了系統的運行故障。經現場測試，流量計在組態、精度、可靠性等方面都達到了設計要求。

關鍵詞：HART協議；智能金屬管浮子流量計；低功耗；Kalman濾波

1 引言

早期的流量計都是模擬式儀表，信息傳輸采用的是4～20mA 或1～5V的模擬信號，進行儀表參數的設定都需要到現場，通過按鍵來完成。隨著控制技術，特別是網絡技術的迅速發展，智能儀表正逐步取代傳統的模擬儀表，其標志主要體現在高可靠性、高精度和總線通信。在流量測量方面，智能的差壓流量計、電磁流量計都得到廣泛應用。而金屬管浮子流量計雖然在石油、化工、醫藥等領域有著廣泛的應用，但由于大多工作環境惡劣，金屬管浮子流量計的智能化改造有著一定的技術困難，加之金屬管浮子流量計本身是低成本的儀表，如果改造成本過高，將會使其喪失本身的成本優勢。

筆者設計了智能金屬管浮子流量計，通過選用高性能、低功耗、低成本的微處理器，一方面將HART協議移植到金屬管浮子流量計上實現總線通信，另一方面采用Kalman濾波方法，提高了流量計的精度。

2 流量計的硬件設計

智能金屬管浮子流量計的硬件采用模塊化設計，共分為傳感器單元、微處理器單元、顯示單元、總線通信單元和供電單元等五個模塊。硬件框圖如圖1所示。

現場信號的檢測，由傳感器單元來完成，將磁鋼嵌在流量計的浮子內部，霍爾元件固定在流量計外管壁，當流量改變時，浮子位置改變，磁鋼的磁場隨之改變，霍爾元件輸出的電壓經放大調理后送入微處理器單元。

微處理器單元的核心選用TI公司的MSP430FE425，其運算速度高、超低功耗的同時，內部集成了AD轉換器和FLASH存儲器，因此可以有效地減少系統的配置，大大簡化了系統的硬件組成，提高系統的運行的可靠性。微處理器單元接收傳感器單元的檢測信號，經濾波、溫度補償后將現場實際流量值送至顯示單元顯示，同時經總線通信單元、HART總線送至上位機。

總線通信單元是HART協議物理層的硬件實現。一方面微處理器單元送出的數字信號經調制解調器HT2012調制成FSK頻移鍵控信號，疊加在環路上發送到HART總線。另一方面總線通信單元將從HART總線接收到的信號解調，然后將數字信號送給微處理器單元。從而實現了智能金屬管浮子流量計和上位機之間的雙向通信。

3 流量計的軟件設計

智能金屬管浮子流量計的軟件設計采用模塊化編程結構，主要包括三個部分：輸入模塊、控制模塊、輸出模塊。所有程序代碼均采用C語言編寫。

輸入模塊主要包括數據采集、濾波、溫度補償、非線性補償和數值計算等，總體采用定時器中斷方式，程序流程圖如圖2所示。輸入模塊中的非線性補償程序采用分段線性擬合的方式來實現。通過采集9組或11組流量信號，作為擬合直線的端點，當前采樣值按數據大小得到擬合曲線段的斜率和初始數據，代入擬合方程即可得到修正后的流量數據。

控制模塊包括鍵盤處理程序和看門狗程序，鍵盤處理功能是通過中斷方式設置標志位在置入參數子程序中實現的。智能金屬管浮子流量計在通過總線組網，實現上位機組態調試的同時，通過鍵盤，可以就地調試。

輸出模塊包括顯示程序和通信中斷服務程序。通信中斷服務程序流程圖如圖3所示。

4 結論

在設計過程中，我們一方面采用了高性能、低功耗、低成本的微處理器，在金屬管浮子流量計上實現了HART總線通信，實現了上位機組態，連接圖如圖4所示。另一方面充分考慮智能金屬管浮子流量計在現場工作時由于管道機械振動和磁場不穩定的干擾，微處理器獲得的信號有噪音，采用數字信號處理方法結合現代濾波技術，采用Kalman濾波方法，提高了流量計的精度。同時由于采取了溫度補償措施，提高了流量計的抗溫度干擾能力。

經過現場測試，該流量計的瞬時流量基本誤差為0.8675%，回差為0.725%；累計精度不超過1.5%，溫度影響0.0019%/℃。

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作者簡介：路宗強（1971-），男，河北承德人，主要從事：教學和自動化儀表科研工作。