旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的輸出信號(hào)電路設(shè)計(jì)與存在問題
摘 要: 旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的兩線制 4 ～ 20m A 輸出的穩(wěn)定性問題直接關(guān)系儀表的精度以及與 DCS 系統(tǒng)的連接，通過提出一種基于以 Upc151 為數(shù)模轉(zhuǎn)換器( DAC) 的 4 ～ 20m A 電流環(huán)路輸出電路，有效解決了輸出的穩(wěn)定性問題，通過實(shí)證研究說明該電路和 DCS 系統(tǒng)的連接也非?？煽浚?br /> 智能旋進(jìn)漩渦流量計(jì)是集流量、溫度、壓力檢測(cè)功能于一體的新一代流量計(jì)． 智能旋進(jìn)漩渦流量計(jì)的測(cè)量原理是當(dāng)沿著軸向的流體流經(jīng)傳感器入口時(shí)，在漩渦發(fā)生體的作用下，被強(qiáng)制圍繞中心線旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生漩渦流，漩渦流在文丘利管中旋進(jìn)，到達(dá)收縮段突然節(jié)流后，使漩渦流加速; 當(dāng)通過擴(kuò)散段時(shí)，漩渦中心沿一錐形螺旋線進(jìn)動(dòng)． 此時(shí)，漩渦中心通過檢測(cè)點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)頻率與流體的流速成正比． 由壓電傳感器檢測(cè)到的漩渦流進(jìn)動(dòng)頻率信號(hào)經(jīng)放大、濾波、整形后轉(zhuǎn)換成流量值進(jìn)行就地顯示或信號(hào)選擇． 信號(hào)經(jīng)前置放大器放大、濾波、整形轉(zhuǎn)換為與流速成正比的脈沖信號(hào)，然后再與溫度、壓力等檢測(cè)信號(hào)一起被送往微處理器進(jìn)行積算處理，***后在液晶顯示屏上顯示出測(cè)量結(jié)果( 瞬時(shí)流量、累積流量及溫度、壓力數(shù)據(jù)) ．［1］
1、旋進(jìn)漩渦流量計(jì)目前存在問題及解決方案：
1.1、目前存在問題：
( 1) 截止頻率的設(shè)定． 設(shè)置截止頻率是由用戶根據(jù)計(jì)量現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)變化情況自行確定儀表的始動(dòng)流量． 如果截止頻率設(shè)定的太高，那么儀表的始動(dòng)流量相應(yīng)增大，為此就可能造成流量的漏計(jì)現(xiàn)象發(fā)生． 如果截止頻率設(shè)置太低，那么儀表的敏感程度相應(yīng)提高，外界的一些微弱振動(dòng)或雜散信號(hào)就可能導(dǎo)致在沒有被測(cè)介質(zhì)通過的情況下儀表開始動(dòng)作，于是流量的多計(jì)現(xiàn)象就不可避免．
( 2) 對(duì)噪聲或振動(dòng)等干擾信號(hào)較為敏感． 如果在靠近測(cè)量?jī)x表的附近存在著較強(qiáng)的磁場(chǎng)或在儀表測(cè)量端的上游存在明顯的噪聲擾動(dòng)，那么儀表的運(yùn)行將受到一定程度的影響．
( 3) 兩線制輸出的寬電壓適應(yīng)能力及穩(wěn)定性問題． 電源接反、超壓、浪涌是電源常見問題，應(yīng)有效克服． 而穩(wěn)定性是儀表設(shè)計(jì)中首要應(yīng)考慮的問題． 因?yàn)楣I(yè)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)多為環(huán)境惡劣，對(duì)可靠性、穩(wěn)定性要求非常高．［3］
1． 2、解決方案：
截止頻率的設(shè)定問題通過量程比的合理設(shè)定可得到解決，噪聲干擾問題可通過如下兩種方式解決:( 1) 儀表安裝位置盡量選在無管道振動(dòng)或振動(dòng)小的位置，振動(dòng)加速度不能大于 2g，如振動(dòng)大則需采取減振措施; ( 2) 傳感器的上游和下游必須有足夠的直管段．
Upc151 是日本 NEC 公司推出的一種單片高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換器( DAC) ． 是一種穩(wěn)定性高，寬輸入電壓范圍，并不需要相位校正電路的運(yùn)算放大器電路． 可實(shí)現(xiàn)輸出短路保護(hù)，自動(dòng)調(diào)整偏差，可以使用廣泛的不同類型的反饋放大器電路，進(jìn)行電路比較．
Upc151 特點(diǎn):
( 1) 具有頻率補(bǔ)償特性( 典型值) : ± 輸入失調(diào)電壓為 1 m V;
( 2) 輸入電壓范圍( 典型值) : 寬輸入失調(diào)電流 ± 20 n A 時(shí)，不會(huì)發(fā)生閉鎖;
( 3) 具有 80 n A 的輸入偏置電流偏置調(diào)整( 典型值) ;
( 4) 具有內(nèi)置的輸出短路保護(hù)電路;
( 5) 電壓的反向連接可以造成破壞;
( 6) 加到輸入端的輸入電壓范圍，不能超過額定值，甚至是短暫的狀態(tài)，如電源 ON / OFF;
( 7) 運(yùn)算放大器的正常運(yùn)作輸入電壓范圍: + 2V ～ + 5 ± 0． 5V( 典型值) ．
本轉(zhuǎn)換電路中核心器件 Upc151 引腳及等效電路如圖 2、圖 3 所示．
圖 1 upc151 貼片封裝引腳圖圖 2 upc151 引腳圖
2、電流環(huán)路輸出電路設(shè)計(jì)及電路特點(diǎn)：
2． 1、電流環(huán)路輸出電路硬件設(shè)計(jì)：
圖 4 電流環(huán)路兩線制輸出電路
PWM 計(jì)算，輸出:void Pwm Out( float f1){float Pwm，
j = ( f1 － Mp1． Fo) / ( Mp1． Fs － Mp1． Fo) ; / / 與限值比較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;}}
串行輸入 4 ～ 20m A 電流環(huán)路兩線制輸出是模擬量串口中較先進(jìn)的輸出方式，在實(shí)際使用中的***大優(yōu)點(diǎn)是低阻抗傳輸線對(duì)電氣噪聲不敏感，而且易實(shí)現(xiàn)光電隔離，且傳輸距離很長(zhǎng)． 此外由于電流源輸出電阻很大，使感應(yīng)到導(dǎo)線環(huán)路內(nèi)的電壓對(duì)信號(hào)產(chǎn)生的影響比較小，所以使用雙絞線就能降低干擾; 并且傳輸信號(hào)受寄生熱電偶和溫漂的影響小; 電流源內(nèi)阻很大，導(dǎo)線電阻串聯(lián)在回路中不影響測(cè)量精度，在普通雙絞線上可以傳輸數(shù)百米． 上限取 20m A 是因?yàn)榉辣囊螅?0m A 的電流通斷引起的火花能量不足以引燃瓦斯，不會(huì)發(fā)生爆炸．
3、結(jié)語：
工業(yè)上測(cè)量的各類非電物理量，例如溫度、壓力、速度、流量等，都需要轉(zhuǎn)換成模擬量電信號(hào)才能傳輸?shù)綆装倜淄獾目刂剖一蝻@示設(shè)備上． 由于串行輸入 4 ～ 20m A 電流環(huán)路輸出電路的抗干擾性能，傳輸長(zhǎng)度長(zhǎng)，信號(hào)穩(wěn)定性好，易于實(shí)現(xiàn)防雷防爆等特點(diǎn)滿足了旋進(jìn)旋渦流量計(jì)信號(hào)輸出的要求，有效解決了兩線制輸出的寬電壓適應(yīng)能力及穩(wěn)定性問題，經(jīng)投入市場(chǎng)使用，效果較好．