旋進旋渦流量計的輸出信號電路設(shè)計與存在問題
摘 要: 旋進旋渦流量計的兩線制 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，通過實證研究說明該電路和 DCS 系統(tǒng)的連接也非常可靠．
智能旋進漩渦流量計是集流量、溫度、壓力檢測功能于一體的新一代流量計． 智能旋進漩渦流量計的測量原理是當(dāng)沿著軸向的流體流經(jīng)傳感器入口時，在漩渦發(fā)生體的作用下，被強制圍繞中心線旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生漩渦流，漩渦流在文丘利管中旋進，到達收縮段突然節(jié)流后，使漩渦流加速; 當(dāng)通過擴散段時，漩渦中心沿一錐形螺旋線進動． 此時，漩渦中心通過檢測點的進動頻率與流體的流速成正比． 由壓電傳感器檢測到的漩渦流進動頻率信號經(jīng)放大、濾波、整形后轉(zhuǎn)換成流量值進行就地顯示或信號選擇． 信號經(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，然后再與溫度、壓力等檢測信號一起被送往微處理器進行積算處理，***后在液晶顯示屏上顯示出測量結(jié)果( 瞬時流量、累積流量及溫度、壓力數(shù)據(jù)) ．［1］
1、旋進漩渦流量計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)計量現(xiàn)場的生產(chǎn)變化情況自行確定儀表的始動流量． 如果截止頻率設(shè)定的太高，那么儀表的始動流量相應(yīng)增大，為此就可能造成流量的漏計現(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或雜散信號就可能導(dǎo)致在沒有被測介質(zhì)通過的情況下儀表開始動作，于是流量的多計現(xiàn)象就不可避免．
( 2) 對噪聲或振動等干擾信號較為敏感． 如果在靠近測量儀表的附近存在著較強的磁場或在儀表測量端的上游存在明顯的噪聲擾動，那么儀表的運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)計中首要應(yīng)考慮的問題． 因為工業(yè)實際現(xiàn)場多為環(huán)境惡劣，對可靠性、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或振動小的位置，振動加速度不能大于 2g，如振動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算放大器電路． 可實現(xiàn)輸出短路保護，自動調(diào)整偏差，可以使用廣泛的不同類型的反饋放大器電路，進行電路比較．
Upc151 特點:
( 1) 具有頻率補償特性( 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，不會發(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) 運算放大器的正常運作輸入電壓范圍: + 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)計及電路特點：
2． 1、電流環(huán)路輸出電路硬件設(shè)計：
圖 4 電流環(huán)路兩線制輸出電路
PWM 計算，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的輸出方式，在實際使用中的***大優(yōu)點是低阻抗傳輸線對電氣噪聲不敏感，而且易實現(xiàn)光電隔離，且傳輸距離很長． 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)的電壓對信號產(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 是因為防爆的要求，20m A 的電流通斷引起的火花能量不足以引燃瓦斯，不會發(fā)生爆炸．
3、結(jié)語：
工業(yè)上測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，傳輸長度長，信號穩(wěn)定性好，易于實現(xiàn)防雷防爆等特點滿足了旋進旋渦流量計信號輸出的要求，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)投入市場使用，效果較好．