E+H智能渦街流量計應用于油田注水站、注聚站等監(jiān)測現(xiàn)場

在石油化工生產(chǎn)過程的自動檢測和控制中，為了有效地操作、控制和監(jiān)測，需要檢測各種流體的流量。渦街流量計在管道內(nèi)無可動部件，具有壓力損失小、運行可靠、維護簡單、測量精度高等優(yōu)點［1］。HART協(xié)議智能渦街流量計在輸出（4～20）mA模擬信號上疊加數(shù)字信號進行雙向通信［2］，可傳送被測變量、儀表設置參數(shù)等多種信息，通過HART手操器可對現(xiàn)場儀表測量范圍、阻尼常數(shù)等進行遠程監(jiān)控和設置，并能對渦街流量計故障進行自診斷。

    針對E+H渦街傳感器在流量較低時存在較大非線性特性問題，微處理器根據(jù)其輸出特性曲線進行非線性校正，擴展了流量計的測量下限，從而提高了渦街流量計的量程比。

    1 系統(tǒng)工作原理與總體設計

    1.1 工作原理

    渦街傳感器信號輸出電極上產(chǎn)生的感應電動勢是一個交替變化的信號，它的變化頻率即為漩渦的分離頻率，根據(jù)卡門渦街理論，在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，漩渦分離頻率f與流體流量u有確定的關系：

       （1）

    式中：d為漩渦發(fā)生體的特征尺寸；S_t為斯特羅哈爾數(shù)。S_t與漩渦發(fā)生體寬度d及雷諾數(shù)Re有關，當Re在2×10⁴～7×10⁶的范圍內(nèi)，St基本保持不變。

E+H智能渦街流量計應用于油田注水站、注聚站等監(jiān)測現(xiàn)場

 式（1）表明，當d與S_t為定值時，漩渦產(chǎn)生的頻率f與流體的平均流速u成正比，渦街流量計就是根據(jù)上述原理進行流量測量的。由于渦街傳感器所測的并不是平均流速，而大約是漩渦發(fā)生體兩側的流速。不同的雷諾數(shù)下，流速分布規(guī)律是不同的，即不同的流速下具有不同的流速分布，進而說明渦街流量傳感器檢測到的主要反映漩渦發(fā)生體兩側的流速與管道平均流速的關系不是*確定的。這說明渦街流量傳感器的非線性誤差是由其檢測機理所決定的［3］。在實際使用時，先測出傳感器的儀表系數(shù)k與頻率f的試驗曲線F（f）：

      （2）

    式中：G（f）為同一口徑的渦街傳感器具有的相同特性曲線，對該曲線進行分段線性處理，固化在流量計的存儲器中；K為平均儀表系數(shù)，可以根據(jù)實際現(xiàn)場工況，通過鍵盤輸入K值，從而實現(xiàn)渦街傳感器的非線性修正。

    1.2 系統(tǒng)總體設計分析

    系統(tǒng)主要由如下模塊組成：渦街傳感器信號調(diào)理模塊，人機交互模塊，HART通信模塊以及電源與掉電檢測模塊，系統(tǒng)框圖如圖1所示。   

圖1 智能渦街流量計系統(tǒng)框圖

    渦街傳感器信號調(diào)理模塊是將傳感器輸出的微弱信號進行濾波與放大，再經(jīng)施密特觸發(fā)電路進行整形，轉(zhuǎn)換為MCU可以測量的方波信號。

    人機交互模塊主要由液晶顯示屏和鍵盤組成，主要用于渦街流量計菜單設置，完成本地參數(shù)的設置和修改，并在測量狀態(tài)下將瞬時流量和累積流量實時顯示出來。

    HART通信模塊一方面將MCU輸出的數(shù)字量，經(jīng)D/A與V/I轉(zhuǎn)換得到對應的（4～20）mA電流；另一方面HART調(diào)制解調(diào)器將疊加在電流環(huán)路上的FSK數(shù)字信號解調(diào)后，再經(jīng)過通用串行接口送入MCU，并將MCU發(fā)送的應答幀調(diào)制成FSK數(shù)字信號，疊加在（4～20）mA電流信號上發(fā)送出去［4］。

    電源模塊將儀表安裝現(xiàn)場提供的24V直流電壓轉(zhuǎn)換為合適的電壓提供給其他電路模塊。掉電檢測模塊能對外部電源電壓進行監(jiān)測，在系統(tǒng)掉電瞬間產(chǎn)生中斷，MCU在中斷程序中將累積流量等重要數(shù)據(jù)存儲到非易失性存儲器中。

    2 系統(tǒng)硬件設計

    系統(tǒng)采用16位嵌入式微處理器MSP430F147為控制核心，MSP430F147是TI公司面向低功耗儀表領域推出的16位微處理器，工作電壓范圍為1.8～3.6V［5］，微處理器內(nèi)部具有定時器、內(nèi)部用戶可編程Flash存儲器以及UART通用串行接口等*外設，提高了系統(tǒng)的集成度與可靠性。

    2.1 信號調(diào)理模塊設計

    渦街傳感器輸出信號頻率f（漩渦的分離頻率）變化范圍為（5～600）Hz，感應信號幅度zui低達0.2mV左右。

    信號調(diào)理模塊結構圖如圖2所示，傳感器輸出的微弱信號經(jīng)前置放大電路、二階低通濾波電路、后置限幅放大電路、施密特整形電路轉(zhuǎn)換為微處理器可以識別的TTL方波信號，送入MSP430F147的定時器捕捉端口進行頻率測量。   

圖2 傳感器信號調(diào)理模塊結構圖

    2.2 掉電檢測模塊設計

    電源掉電模塊設計采用MAXIM公司的電壓比較器MAX9017，該芯片自帶1．236V高精度電壓基準，電源電壓經(jīng)電阻分壓后與高精度基準電壓比較，實現(xiàn)電源電壓的監(jiān)控。當電源電壓低于一定值時，電壓比較器產(chǎn)生跳變觸發(fā)中斷，在中斷程序中，微處理器完成對累積流量等重要數(shù)據(jù)的保存。MSP430F147內(nèi)部集成了256Byte用戶可編程Flash存儲器，從而省去了對外圍存儲芯片的需要。

    2.3 HART通信模塊設計

    HART通信模塊由MSP430F147微處理器、HART調(diào)制解調(diào)芯片A5191HRT和電流環(huán)產(chǎn)生電路組成。

    A5191HRT是AMISemiconductor公司推出的單片HART調(diào)制解調(diào)器，采用相位連續(xù)的FSK半雙工工作方式，數(shù)據(jù)率為1200b/s。A5191HRT內(nèi)部集成了符合Bell202標準的調(diào)制器、解調(diào)器、接收濾波器、發(fā)送信號整形電路、載波檢測等電路［6］，所以只要使用較少的外部無源元件就能夠構建滿足HART協(xié)議物理層要求的電路。

    HART通信模塊電路如圖3所示，A5191HRT與MSP430F147通用串行接口信號包括經(jīng)光電隔離后的載波監(jiān)測OCD、HART的解調(diào)輸出ORXD、來自UART的HART調(diào)制輸入ITXD和請求發(fā)送IN-RTS。

圖3 HART通信模塊電路圖

    電流環(huán)產(chǎn)生電路采用V/I轉(zhuǎn)換電路，輸入電壓范圍為（0～2.5）V，采樣電阻選用阻值為120Ω的精密金屬膜電阻，當輸入電壓為2．4V時，輸出電流為20mA。電流產(chǎn)生電路中的1N4148二極管作用是在電流環(huán)輸出開路時，采樣電阻上流過的電流由運放輸出端提供，從而避免運放工作在飽和狀態(tài)。圖3中I＋與I－分別為（4～20）mA電流環(huán)路兩輸出端口。

    3 系統(tǒng)軟件設計

    系統(tǒng)軟件主要由五部分組成：①測頻子程序，負責傳感器信號頻率的測量；②定時器“心跳”程序，實現(xiàn)非線性校正、累積計算和輸出顯示；③HART通信子程序，當檢測到HART通信載波信號時，進入中斷子程序，進行信號的接收、識別和響應；④掉電保護子程序；⑤菜單設置程序，當有按鍵按下時，可以對流量計進行本地參數(shù)設置和修改。

    系統(tǒng)上電復位后，MSP430F147首先完成各模塊初始化，之后進入低功耗模式LPM3［7］。通過中斷喚醒MCU的方式執(zhí)行相應功能模塊，中斷完成后恢復低功耗模式。系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。

圖4 軟件流程圖     

    3.1 非線性校正算法設計

    采用分段直線方程的非線性校正方法，傳感器試驗得出的特性曲線反應的是傳感器輸出頻率與儀表系數(shù)的對應關系，對曲線進行合適的分段，每一段曲線可以近似看成是一直線段，曲線分段后，各段端點對應被測頻率信號分別為F0，F(xiàn)1，F(xiàn)2…Fm，傳感器對應的儀表系數(shù)為K0，K1，K2…Km，其中F0、Fm分別對應被測頻率zui小值與zui大值。顯然曲線上任一點可由分段直線段上的點近似表示，則有：

        （3）

    式（3）就是得到的兩點式分段直線校正方程。在系統(tǒng)上電初始化是先依次把校正方程參數(shù)（Fi，Ki）（其中i=1，2，3，…，m）讀入內(nèi)存，在非線性校準時，先要判斷當前測得頻率f位于哪一個直線段，再根據(jù)相應的直線段校正參數(shù)，由校正方程求出相應的儀表系數(shù)。渦街傳感器非線性校正與流量積算在定時器“心跳”斷程序中實現(xiàn)，具體算法軟件流程圖如圖5所示。   

圖5 非線性校正算法流程圖

    3.2 HART通信軟件設計

    HART協(xié)議通信程序根據(jù)HART協(xié)議規(guī)范要求，主要由HART協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層和應用層軟件構成。渦街流量計在HART協(xié)議通信時作為從設備使用終端，系統(tǒng)僅需進行從設備通信軟件設計。

    由于HART總線為半雙工模式，從設備必須在接收到通信主機（上位機或手操器）命令幀后，由微處理器做出相應的數(shù)據(jù)處理，并產(chǎn)生應答幀。為了能夠及時地接收到主機發(fā)送的命令又不影響主程序正常運行，HART通信模塊程序主要在中斷程序來實現(xiàn)。當A5191HRT的載波檢測輸出腳OCD變?yōu)楦唠娖綍r，觸發(fā)硬件中斷，MCU完成主機命令的接收和處理后，生成相應的應答幀，在完成應答后，退出中斷子程序。HART通信程序流程圖如圖6所示。

圖6 HART通信程序流程圖

    HART協(xié)議通信模塊采用這種接收命令并應答的方法完成現(xiàn)場儀表和主機之間的通信，可以實現(xiàn)通訊主機對現(xiàn)場儀表的各個工作參數(shù)的設置、測量結果的讀取、儀表工作狀態(tài)的檢測等功能，并且具有程序設計靈活的優(yōu)點。   

    4 結語

    該智能渦街流量計充分利用微處理器MSP430F147內(nèi)部功能模塊，提高了系統(tǒng)集成度與可靠性，采用了簡單實用且方便實現(xiàn)的分段直線方程的非線性校正算法，有效地解決了渦街傳感器非線性特性的問題。采用該算法后，試驗運行表明，流量計的量程比可達25∶1。

    儀表硬件上設計了隔離式的HART通信模塊，通信軟件設計符合HART協(xié)議要求，可由上位機或手操器進行遠程操作，并且數(shù)字通信不影響（4～20）mA模擬信號輸出，與傳統(tǒng)模擬儀表有較好的兼容性。目前，該智能渦街流量計已實現(xiàn)批量生產(chǎn)和銷售，并廣泛應用于油田注水站、注聚站等監(jiān)測現(xiàn)場。

E+H智能渦街流量計應用于油田注水站、注聚站等監(jiān)測現(xiàn)場