田俊偉, 王小鵬, 孫志成

(蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

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基于HART協(xié)議的核輻射法液位測(cè)量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

田俊偉, 王小鵬, 孫志成

(蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

為提高粘稠和高溫環(huán)境下液位的測(cè)量和控制精度，提出了一種基于HART協(xié)議的核輻射法液位測(cè)量和控制系統(tǒng)。HART模塊由A5191和AD5421組成，以STM32為控制核心，采用校正平均算法減小測(cè)量誤差。詳細(xì)闡述了系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了液位的精確測(cè)量和控制。

HART協(xié)議； 核輻射法； STM32； 液位測(cè)量

0　引　言

常用的液位傳感器類(lèi)型有浮筒式液位傳感器[1]、靜壓式液位傳感器[2]、超聲波液位傳感器[3]、光纖液位傳感器[4，5]。浮筒式液位傳感器安裝復(fù)雜，可靠性低。靜壓式傳感器受介質(zhì)密度和溫度影響較大。超聲波液位傳感器易受傳播介質(zhì)的溫度和密度等參數(shù)的影響，液面對(duì)超聲波的吸收作用也會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差加大。光纖液位傳感器機(jī)械傳動(dòng)部件較多使得故障率增加，安裝復(fù)雜。

本文系統(tǒng)采用基于HART協(xié)議的核輻射法[6]測(cè)量液位，在不增加線路開(kāi)支的情況下，在傳統(tǒng)4～20 mA模擬電流回路上疊加數(shù)字信號(hào)，從而使模擬信號(hào)和數(shù)字雙向通信能同時(shí)進(jìn)行。核輻射法是非接觸式的液位測(cè)量方法，該方法特別適用于密閉容器中高溫、高壓、高粘度、強(qiáng)腐蝕、劇毒物料液位的測(cè)量。由于核輻射射線有不受溫度、濕度、壓力、電磁場(chǎng)等影響的特性，所以可在高溫、煙霧、塵埃、強(qiáng)光及強(qiáng)電磁場(chǎng)等環(huán)境下工作。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1核輻射法

核輻射法的原理是射線透過(guò)物料時(shí)其強(qiáng)度隨介質(zhì)的厚度(或高度)變化而變化，射線的透射強(qiáng)度隨著通過(guò)介質(zhì)層厚度的增加而減弱。入射強(qiáng)度為I0的放射源，隨介質(zhì)厚度增加其強(qiáng)度呈指數(shù)規(guī)律衰減，其關(guān)系為

I=I0e-uH

(1)

式中μ為介質(zhì)對(duì)放射線的吸收系數(shù)，H為介質(zhì)的厚度，I為穿過(guò)介質(zhì)后的射線強(qiáng)度。只要測(cè)定通過(guò)介質(zhì)后的射線強(qiáng)度I，介質(zhì)的厚度H可求。介質(zhì)層的厚度，即液位或料位的高度。輻射源發(fā)射的射線穿過(guò)被測(cè)物料后由接收器接收，接收器由閃爍體、光電倍增管、前置放大電路組成，安裝在被測(cè)容器另一側(cè)，射線由閃爍計(jì)數(shù)器吸收，射線越強(qiáng)，電流脈沖數(shù)越多。核輻射法原理示意圖如圖1所示。

1.2系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用核輻射法來(lái)測(cè)量液位的高度，為保證對(duì)射線接收器輸出的脈沖信號(hào)的準(zhǔn)確計(jì)數(shù)，采用了ARM7系列的STM32處理器，該處理器具有高精度的脈沖捕獲功能。系統(tǒng)整理框圖如圖2所示。

圖1　輻射法原理示意圖

圖2　系統(tǒng)整體框圖

STM32將捕獲的脈沖頻率轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的液位高度，高度值經(jīng)SPI口送到AD5421，轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的4～20 mA電流傳送到HART總線[7～9]?？刂葡到y(tǒng)從總線讀取數(shù)據(jù)，對(duì)液位高度值進(jìn)行分析，進(jìn)而控制電動(dòng)閥來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)料。手操器作為輔助的可移動(dòng)設(shè)備，可以在現(xiàn)場(chǎng)很方便地接入到HART總線，對(duì)液位高度等參數(shù)值進(jìn)行查詢(xún)和設(shè)置。

2　硬件設(shè)計(jì)

2.1HART通信模塊

HART協(xié)議通信模塊需要完成與控制系統(tǒng)或手操器交換設(shè)置參數(shù)、測(cè)量數(shù)據(jù)、校準(zhǔn)參數(shù)等信息，以及將測(cè)量的液位高度轉(zhuǎn)換成4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)模擬電流環(huán)信號(hào)輸出等功能。HART通信模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3　HART通信模塊結(jié)構(gòu)框圖

HART通信模塊主要由STM32處理器、A5191HRT和AD5421型DAC組成。AD5421接收來(lái)自STM32的數(shù)字信號(hào)的液位測(cè)量結(jié)果并轉(zhuǎn)換成4～20 mA電流輸出。A5191HRT接收疊加在4～20 mA環(huán)路上的FSK信號(hào)，解調(diào)后傳輸給STM32，或?qū)TM32產(chǎn)生的應(yīng)答幀信息調(diào)制成FSK信號(hào)經(jīng)波形整形器后由AD5421疊加在4～20 mA環(huán)路上發(fā)送出去。

2.2系統(tǒng)整體電路

系統(tǒng)整體電路圖如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)整體電路圖

圖4中載波檢測(cè)OCD和請(qǐng)求發(fā)送INRTS接到STM32的普通I/O口，HART調(diào)制輸入ITXD和解調(diào)輸出接ORXD分別接STM32串口的TXD和RXD，OTXA將調(diào)制后的FSK信號(hào)送到AD5421。AD5421兼容HART協(xié)議的FSK通信電路，適合低功耗、高精度、低成本的智能工業(yè)控制應(yīng)用。AD5421由電壓調(diào)整器、∑-△結(jié)構(gòu)DAC核和電流放大器組成，可將16 bit數(shù)字碼轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的4～20 mA模擬電流。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1主程序設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)在RealView MDK開(kāi)發(fā)環(huán)境下，利用STM32官方固件庫(kù)用標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言編寫(xiě)，主要包括系統(tǒng)初始化、開(kāi)定時(shí)器捕獲、讀取分析脈沖計(jì)數(shù)、數(shù)據(jù)發(fā)送。軟件系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示。

圖5　主程序流程圖

3.2數(shù)據(jù)獲取和處理

為保證輸入脈沖波形不失真，射線接收器輸出的脈沖經(jīng)過(guò)整形電路整形后再輸入給STM32捕獲。計(jì)算脈沖時(shí)采用一種校正平均算法，算法表示為

(2)

(3)

4　系統(tǒng)測(cè)試

為驗(yàn)證系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和可靠性，采用規(guī)則的矩形罐體做數(shù)據(jù)測(cè)試，測(cè)得的數(shù)據(jù)如表1所示。測(cè)量最大誤差4.1cm，最大相對(duì)誤差0.50 %，精度達(dá)到0.5 %FS,表明系統(tǒng)性能和精度能夠滿(mǎn)足工業(yè)測(cè)量和控制的要求。

表1　液位測(cè)量數(shù)據(jù)

5　結(jié)　論

設(shè)計(jì)了一種基于HART協(xié)議的核輻射法液位測(cè)量控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用于高溫、高壓、高粘度、強(qiáng)腐蝕、劇毒液位的測(cè)量和控制。系統(tǒng)采用低功耗的STM32型MCU和A5191型HART調(diào)制解調(diào)芯片。實(shí)現(xiàn)了液位的實(shí)時(shí)測(cè)量和顯示、參數(shù)的設(shè)置和校準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明：該系統(tǒng)精確度高，性能穩(wěn)定，能夠滿(mǎn)足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)液位的測(cè)量和控制要求，能夠提高相關(guān)工業(yè)的自動(dòng)化控制程度。

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Design of nuclear radiation method of liquid level measurement and control system based on HART protocol*

TIAN Jun-wei, WANG Xiao-peng, SUN Zhi-cheng

(School of Electronic and Information Engineering,Lanzhou JiaoTong University,Lanzhou 730070,China)

In order to improve precision of liquid level measurement and control under high viscosity and high temperature condition,a nuclear radiation method of liquid level measurement and control system based on highway addressable remote transducer(HART)protocol is proposed.The HART module is composed of A5191 and AD5421 uses STM32 as control center and use correction average algorithm to minimize measurement errors.Hardware and software design schemes are expounded in detail and precise measurement and control of liquid level are achieved.

HART protocol; nuclear radiation method; STM32; liquid level measurement

10.13873/J.1000—9787(2016)09—0072—03

2016—01—05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61261029)；金川公司預(yù)研基金項(xiàng)目(JCYY201309)

TP 273

A

1000—9787(2016)09—0072—03

田俊偉(1988-)，男，湖北孝感人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閿?shù)字信號(hào)處理。