智能旋進(jìn)漩渦流量計(jì)是集流量、溫度、壓力檢測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(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，漩渦中心沿一錐形螺旋線進(jìn)動。此時，漩渦中心通過檢測點(diǎn)的進(jìn)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(jìn)動頻率信號經(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(jìn)行積算處理，最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)）。

    旋進(jìn)漩渦流量計(jì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：對于氣體的計(jì)量，由于其密度受溫度、壓力的影響較大，為了能準(zhǔn)確計(jì)量氣體介質(zhì)的體積流量，必須同時跟蹤檢測介質(zhì)的溫度和壓力，并將不同工況下的氣體流量轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（P=101.325kPa，T=293.15K）的體積流量。隨著科技發(fā)展，旋進(jìn)漩渦流量計(jì)已由非智能型發(fā)展到智能型，功能進(jìn)一步，穩(wěn)定性也進(jìn)一步加強(qiáng)。

    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(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(jì)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(qiáng)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(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)場多為環(huán)境惡劣，對可靠性、穩(wěn)定性要求非常高。

    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。

    而針對兩線制輸出的寬電壓適應(yīng)能力及穩(wěn)定性問題，設(shè)計(jì)了一種通過串行輸入4～20mA電流環(huán)路輸出電路，數(shù)模轉(zhuǎn)換器采用日本NEC公司Upc151，16位數(shù)字信號以串行方式輸入，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后以4～20mA電流形式輸出。它非常適用于智能變送器的設(shè)計(jì)，在主控設(shè)備與智能變送器之間可同時實(shí)現(xiàn)4～20mA模擬通信和在HART協(xié)議下的數(shù)字信號通信。

    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?？蓪?shí)現(xiàn)輸出短路保護(hù)，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(jìn)行電路比較。

    Upc151采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)8腳封裝，引腳排列圖如圖1所示。

    Upc151由電流環(huán)路供電，16位數(shù)字信號以串行方式輸入，4～20mA電流輸出，可實(shí)現(xiàn)低成本的遠(yuǎn)程智能工業(yè)控制。Upc151內(nèi)部含有電壓調(diào)整器可提供+5V，+3.3V輸出電壓，還含有+2.5V基準(zhǔn)電源，均可為其自身或其他選用。Upc151與標(biāo)準(zhǔn)HART電路或其他類似FSK協(xié)議的電路兼容。4～20mA串行接口可在10Mbps下運(yùn)行，便于與通用微處理器相連。

    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1mV；

    （2）輸入電壓范圍（典型值）：寬輸入失調(diào)電流±20nA時，不會發(fā)生閉鎖；

    （3）具有80nA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。


    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)

    串行輸入4～20mA電流環(huán)路輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器，即通過設(shè)置讓單片機(jī)MSP430F149的一個I/0輸出端口作為PWM信號的輸出端，在一個周期T內(nèi)，通過軟件方式使I/0輸出端口產(chǎn)生一個開啟和關(guān)閉的PWM信號。它的脈沖寬度tp是與數(shù)字化的測量信號值相關(guān)聯(lián)的，數(shù)模轉(zhuǎn)換器采用日本NEC公司Upc151，16位數(shù)字信號以串行方式輸入，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后以4～20mA電流形式輸出.具體電路如圖4所示。

圖4 電流環(huán)路兩線制輸出電路

    2.2 電流環(huán)路輸出電路軟件設(shè)計(jì)

2.3 電流環(huán)路輸出電路特點(diǎn)

    串行輸入4～20mA電流環(huán)路兩線制輸出是模擬量串口中較的輸出方式，在實(shí)際使用中的是低阻抗傳輸線對電氣噪聲不敏感，而且易實(shí)現(xiàn)光電隔離，且傳輸距離很長.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??；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20mA是因?yàn)榉辣囊螅?0mA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。

   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4～20mA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(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。