專利名稱：一種智能金屬浮子流量計變送器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及金屬浮子流量計變送器的非接觸式測量技術和數(shù)字式智能非線性校正技術。
背景技術：
在傳統(tǒng)的金屬浮子流量計變送器的設計中，金屬浮子測量是采用接觸式角度傳感器，其測量過程是流體通過流量計測量管道，推動金屬浮子上下移動，以磁耦合的形式將浮子移動信息傳遞到外部指示器，指示器指針的旋轉傳遞到機械式角位移傳感器軸上，帶動與之相連的擾流片/鐵心，改變線圈中的感應電壓，輸出與旋轉角度成比例的電壓、電流信號。由于采用的是機械式角度傳感器，使得傳感器易發(fā)生磨損，從而導致在已經(jīng)磨損的位置會出現(xiàn)信號的丟失。此外，流體測量過程中還存在著較嚴重的非線性特性，即通過金屬浮子的流量與傳感器輸出電壓間是非線性的，目前的非線性校正是采用電阻網(wǎng)絡，其結構復雜，而且通過調(diào)節(jié)電阻值進行非線性校正，調(diào)節(jié)也相當繁瑣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供了非接觸式角位移測量方法和數(shù)字式智能化非線性校正的一種智能金屬浮子流量計變送器。
本發(fā)明采用的技術方案是包括傳感器及放大電路，MSP430F149單片機處理電路，RS-485通訊接口電路，D/A轉換電路及電源變換電路；D/A轉換電路及電源變換電路，將外部接入的+24V電源轉換為+3.3V電壓給變送器上各個器件供電，流量計標定值的輸入，經(jīng)過RS-485接口電路將變送器與計算機的COMl口連接，直接寫入流量計標定值。
傳感器及放大電路包括Honeywell的磁阻傳感器HMC1501，超低功耗CMOS運算放大器OPA4336，差分放大電路電阻R1～R6，傳感器及放大電路的輸出直接與單片機處理電路的A/D輸入端口即P6.0/A0口相連；單片機處理電路包括MSP430F149芯片，晶振Y1，復位芯片MAX811及電阻R17，14芯JTAG接口，RS-485通訊接口電路連接在MSP430F149芯片的異步串行通信端口USARTO；RS-485通訊接口電路包括接口芯片MAX3483E；D/A轉換電路及電源變換電路包括場效應管DN2540，AD421芯片，電容C7，C8，C9，C10，C11，C12，C13，C14和電阻R7，AD421芯片的LATCH，CLOCK和DATA端分別連接在單片機芯片MSP430F149的I/O口即P5.2、P5.3、P5.1，電源變換部分由場效應管DN2540和AD421芯片內(nèi)部的電壓調(diào)整電路實現(xiàn)，將+24V電壓調(diào)整為+3.3V電壓給變送器各器件供電。
變送器采用工業(yè)上通用的二線制標準，即輸入電源線和輸出信號線共用兩根導線，變送器經(jīng)由這兩根導線將輸出的4～20mA電流信號遠傳給外部設備。
本發(fā)明與背景技術相比，具有的有益效果是1)采用非接觸式磁阻傳感器替代現(xiàn)有的接觸式角位移傳感器測量，不僅避免了接觸式角位移傳感器因磨損而發(fā)生信號丟失的現(xiàn)象，而且具有高分辨率，低功耗，體積小的優(yōu)點。對磁鐵的溫度系數(shù)不敏感，對于沖擊和振動不敏感，以及可以承受傳感器和磁鐵之間間隙較大的變化。
2)采用數(shù)字式非線性校正，簡化了電路結構和程序設計。并且流量計標定值直接存儲在單片機FLASH中的信息段內(nèi)，減少了外掛E2PROM帶來的額外電流消耗。


圖1是本發(fā)明的結構框圖；圖2是傳感器及放大電路原理圖；圖3是單片機處理電路原理圖；圖4是RS-485通訊接口電路原理圖；圖5是D/A轉換電路及電源變換電路原理圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
如圖1所示，智能金屬浮子流量計變送器的結構框圖由附圖1給出。它包括傳感器及放大電路1，MSP430F149單片機處理電路2，RS-485通訊接口電路3，D/A轉換電路及電源變換電路4；D/A轉換電路及電源變換電路(4)，將外部接入的+24V電源轉換為+3.3V電壓給變送器上各個器件供電，流量計標定值的輸入，經(jīng)過RS-485接口電路3將變送器與計算機的COM1口連接，直接寫入流量計標定值。
如圖2所示，傳感器及放大電路1包括HMC1501，運放OPA4336，電阻R1～R6。金屬浮子位置的變化通過磁鋼耦合到指示器內(nèi)的環(huán)型磁體上，HMC1501感應角位移的大小，輸出為典型的惠斯通電橋。輸出的差分信號為幾十毫伏級，經(jīng)過單電源運放OPA4336構成的差分放大電路將此差分信號放大為0＜V＜3.3V大小。
如圖3所示MSP430F149單片機處理電路2，采用Ti公司的低功耗CMOS芯片MSP430F149。差分放大后的信號直接連到MSP430F149的A/D輸入端口A0，片內(nèi)集成的12位A/D轉換器的參考電平取單片機工作電壓3.3V。單片機的XIN和XOUT腳外接32K晶振，復位信號由MAX811產(chǎn)生。異步串行口(USART0)的TXD0與RXD0腳與RS485接口芯片的DI腳和RO腳分別相連，RS485工作狀態(tài)控制信號(/RE，DE)由單片機的P4.1口給出。選擇單片機的P5.1，P5.2及P5.3分別與D/A轉換器AD421的DATA端，LATCH端和CLOCK端相連，輸出瞬時流量信號。累計流量的顯示采用8位液晶顯示屏，自帶顯示緩存，使用時只要將單片機的I/O口直接與液晶模塊的CLK端和DATA端相連。JTAG接口，用于單片機程序的下載和在線調(diào)試。
如圖4所示RS-485通訊接口電路3，包括芯片MAX3483，芯片的A，B輸入端與外界232-485轉換器相連，從計算機的COM1口接收標定數(shù)據(jù)值。
如圖5所示D/A轉換電路及電源變換電路4，采用芯片AD421。電源變換部分由場效應管DN2540和AD421芯片內(nèi)部的電壓調(diào)整電路實現(xiàn)，將+24V電壓調(diào)整為+3.3V電壓給變送器各器件供電。AD421的D/A轉換器，是一個16位串行輸入的D/A，輸出標準的4～20mA信號。
變送器采用工業(yè)上通用的二線制標準，即輸入電源線和輸出信號線共用兩根導線，變送器經(jīng)由這兩根導線將輸出的4～20mA電流信號遠傳給外部設備。
本發(fā)明主要應用于智能金屬浮子流量計變送器。非接觸式傳感器的工業(yè)應用領域相當廣泛，可以測量線位移、角位移、接近位置、閥門位置等。使用時務必將傳感器至于磁場強度大于80高斯的場合中。同時，采用數(shù)字方法對變送器實施標定，將標定值安全存儲，并依據(jù)標定值實現(xiàn)流量信號的分段線性化處理。具體方法是選取流量值的幾個點如流量最大點Qmax、0.75Qmax、0.5Qmax、0.25Qmax、Qmin，將這些點的標定值通過上位機輸入單片機，單片機接收到數(shù)據(jù)后將其可靠保存在內(nèi)部FLASH中。判斷傳感器輸出的電壓值在標定值的哪段范圍內(nèi)，然后在這段范圍對采到的電壓值進行線性化處理。
具體工作過程如下當被測流體通過金屬管浮子流量計時，金屬管浮子的位置由永久磁鋼制成的耦合管耦合至指示器內(nèi)的環(huán)型磁體，角位移傳感器無需與磁體相連，在一定的范圍內(nèi)感應磁場方向角的變化，通過變送電路將流量信號轉換為4～20mA標準信號輸出。變送器采用直流+24V供電，首先通過D/A轉換電路及電源變換電路4輸出3.3V電壓給變送器上各器件供電。磁阻傳感器輸出典型惠斯通電橋，經(jīng)過傳感器及放大電路1將信號直接送入單片機的A/D輸入端。由于通過金屬浮子的流量與磁阻傳感器的輸出電壓之間是非線性的，需要對流量計進行標定，通過軟件實現(xiàn)非線性校正。標定值的個數(shù)根據(jù)流量計的精度要求確定，標定值由PC機通過RS-485接口電路3經(jīng)由單片機的USART0端口送入單片機，存儲在單片機FLASH中的信息段內(nèi)。軟件的核心即是根據(jù)標定值，對輸入的流量信號進行分段的線性化處理。處理后的信號經(jīng)過D/A轉換電路及電源變換電路4輸出4～20mA標準信號，并顯示累計流量值。
權利要求
1.一種智能金屬浮子流量計變送器，其特征在于包括傳感器及放大電路(1)，MSP430F149單片機處理電路(2)，RS-485通訊接口電路(3)，D/A轉換電路及電源變換電路(4)；D/A轉換電路及電源變換電路(4)，將外部接入的+24V電源轉換為+3.3V電壓給變送器上各個器件供電，流量計標定值的輸入，經(jīng)過RS-485接口電路3將變送器與計算機的COM1口連接，直接寫入流量計標定值。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種智能金屬浮子流量計變送器，其特征在于1)傳感器及放大電路(1)包括Honeywell的磁阻傳感器HMC1501，超低功耗CMOS運算放大器OPA4336，差分放大電路電阻R1～R6，傳感器及放大電路(1)的輸出直接與單片機處理電路(2)的A/D輸入端口即P6.0/A0口相連；2)單片機處理電路(2)包括MSP430F149芯片，晶振Y1，復位芯片MAX811及電阻R17，14芯JTAG接口，RS-485通訊接口電路(3)連接在MSP430F149芯片的異步串行通信端口USART0；3)RS-485通訊接口電路(3)包括接口芯片MAX3483E；4)D/A轉換電路及電源變換電路(4)包括場效應管DN2540，AD421芯片，電容C7，C8，C9，C10，C11，C12，C13，C14和電阻R7，AD421芯片的LATCH，CLOCK和DATA端分別連接在單片機芯片MSP430F149的I/O口即P5.2、P5.3、P5.1，電源變換部分由場效應管DN2540和AD421芯片內(nèi)部的電壓調(diào)整電路實現(xiàn)，將+24V電壓調(diào)整為+3.3V電壓給變送器各器件供電。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種智能金屬浮子流量計變送器。包括傳感器及放大電路，MSP430F149單片機處理電路，RS－485通訊接口電路，D/A轉換電路及電源變換電路。D/A轉換電路及電源變換電路，將外部接入的+24V電源轉換為+3.3V電壓給變送器上各個器件供電，流量計標定值的輸入，經(jīng)過RS－485接口電路將變送器與計算機的COM1口連接，直接寫入流量計標定值。采用非接觸式磁阻傳感器避免接觸式角位移傳感器因磨損而發(fā)生信號丟失的現(xiàn)象，且具有高分辨率，低功耗，體積小的優(yōu)點。對磁鐵的溫度系數(shù)和沖擊和振動不敏感，承受傳感器和磁鐵之間間隙較大的變化。采用數(shù)字式非線性校正，簡化了電路結構和程序設計。
文檔編號G01F1/05GK1712906SQ200510050539
公開日2005年12月28日 申請日期2005年7月1日 優(yōu)先權日2005年7月1日
發(fā)明者陳章位, 柳穎, 賀惠農(nóng) 申請人:浙江大學