基于HART協議的核輻射法液位測量控制系統設計*

田俊偉, 王小鵬, 孫志成

(蘭州交通大學 電子與信息工程學院,甘肅 蘭州 730070)

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基于HART協議的核輻射法液位測量控制系統設計*

田俊偉, 王小鵬, 孫志成

(蘭州交通大學 電子與信息工程學院,甘肅 蘭州 730070)

為提高粘稠和高溫環境下液位的測量和控制精度，提出了一種基于HART協議的核輻射法液位測量和控制系統。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量誤差。詳細闡述了系統軟硬件設計方案，實現了液位的精確測量和控制。

HART協議； 核輻射法； STM32； 液位測量

0　引　言

常用的液位傳感器類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雜，可靠性低。靜壓式傳感器受介質密度和溫度影響較大。超聲波液位傳感器易受傳播介質的溫度和密度等參數的影響，液面對超聲波的吸收作用也會導致測量誤差加大。光纖液位傳感器機械傳動部件較多使得故障率增加，安裝復雜。

本文系統采用基于HART協議的核輻射法[6]測量液位，在不增加線路開支的情況下，在傳統4～20 mA模擬電流回路上疊加數字信號，從而使模擬信號和數字雙向通信能同時進行。核輻射法是非接觸式的液位測量方法，該方法特別適用于密閉容器中高溫、高壓、高粘度、強腐蝕、劇毒物料液位的測量。由于核輻射射線有不受溫度、濕度、壓力、電磁場等影響的特性，所以可在高溫、煙霧、塵埃、強光及強電磁場等環境下工作。

1　系統設計

1.1核輻射法

核輻射法的原理是射線透過物料時其強度隨介質的厚度(或高度)變化而變化，射線的透射強度隨著通過介質層厚度的增加而減弱。入射強度為I0的放射源，隨介質厚度增加其強度呈指數規律衰減，其關系為

I=I0e-uH

(1)

式中μ為介質對放射線的吸收系數，H為介質的厚度，I為穿過介質后的射線強度。只要測定通過介質后的射線強度I，介質的厚度H可求。介質層的厚度，即液位或料位的高度。輻射源發射的射線穿過被測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，安裝在被測容器另一側，射線由閃爍計數器吸收，射線越強，電流脈沖數越多。核輻射法原理示意圖如圖1所示。

1.2系統整體設計

系統采用核輻射法來測量液位的高度，為保證對射線接收器輸出的脈沖信號的準確計數，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。系統整理框圖如圖2所示。

圖1　輻射法原理示意圖

圖2　系統整體框圖

STM32將捕獲的脈沖頻率轉換成相應的液位高度，高度值經SPI口送到AD5421，轉換成對應的4～20 mA電流傳送到HART總線[7～9]。控制系統從總線讀取數據，對液位高度值進行分析，進而控制電動閥來調節進料。手操器作為輔助的可移動設備，可以在現場很方便地接入到HART總線，對液位高度等參數值進行查詢和設置。

2　硬件設計

2.1HART通信模塊

HART協議通信模塊需要完成與控制系統或手操器交換設置參數、測量數據、校準參數等信息，以及將測量的液位高度轉換成4～20 mA標準模擬電流環信號輸出等功能。HART通信模塊結構框圖如圖3所示。

圖3　HART通信模塊結構框圖

HART通信模塊主要由STM32處理器、A5191HRT和AD5421型DAC組成。AD5421接收來自STM32的數字信號的液位測量結果并轉換成4～20 mA電流輸出。A5191HRT接收疊加在4～20 mA環路上的FSK信號，解調后傳輸給STM32，或將STM32產生的應答幀信息調制成FSK信號經波形整形器后由AD5421疊加在4～20 mA環路上發送出去。

2.2系統整體電路

系統整體電路圖如圖4所示。

圖4　系統整體電路圖

圖4中載波檢測OCD和請求發送INRTS接到STM32的普通I/O口，HART調制輸入ITXD和解調輸出接ORXD分別接STM32串口的TXD和RXD，OTXA將調制后的FSK信號送到AD5421。AD5421兼容HART協議的FSK通信電路，適合低功耗、高精度、低成本的智能工業控制應用。AD5421由電壓調整器、∑-△結構DAC核和電流放大器組成，可將16 bit數字碼轉換為對應的4～20 mA模擬電流。

3　系統軟件設計

3.1主程序設計

軟件系統在RealView MDK開發環境下，利用STM32官方固件庫用標準C語言編寫，主要包括系統初始化、開定時器捕獲、讀取分析脈沖計數、數據發送。軟件系統主程序流程圖如圖5所示。

圖5　主程序流程圖

3.2數據獲取和處理

為保證輸入脈沖波形不失真，射線接收器輸出的脈沖經過整形電路整形后再輸入給STM32捕獲。計算脈沖時采用一種校正平均算法，算法表示為

(2)

(3)

4　系統測試

為驗證系統的準確度和可靠性，采用規則的矩形罐體做數據測試，測得的數據如表1所示。測量最大誤差4.1cm，最大相對誤差0.50 %，精度達到0.5 %FS,表明系統性能和精度能夠滿足工業測量和控制的要求。

表1　液位測量數據

5　結　論

設計了一種基于HART協議的核輻射法液位測量控制系統，該系統可用于高溫、高壓、高粘度、強腐蝕、劇毒液位的測量和控制。系統采用低功耗的STM32型MCU和A5191型HART調制解調芯片。實現了液位的實時測量和顯示、參數的設置和校準。經過工業現場測試表明：該系統精確度高，性能穩定，能夠滿足工業現場環境對液位的測量和控制要求，能夠提高相關工業的自動化控制程度。

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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

國家自然科學基金資助項目(61261029)；金川公司預研基金項目(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，主要研究方向為數字信號處理。