介绍了智能金属管浮子流量计的设计思路,以及系统硬件及软件设计。该流量计由于采用了高性能微处理器,一方面将HART协议移植到金属管浮子流量计上实现总线通信,另一方面采用Kalman滤波方法,提高了流量计的精度。同时在产品的设计上采用模块化设计降低了系统的运行故障。经现场测试,流量计在组态、精度、可靠性等方面都达到了设计要求。

1.引言

早期的流量计都是模拟式仪表，信息传输采用的是 4~20mA 或 1~5V 的模拟信号，进行仪表参数的设定都需要到现场，通过按键来完成。随着控制技术，特别是网络技术的迅速发展，智能仪表正逐步取代传统的模拟仪表，其标志主要体现在高可靠性、高精度和总线通信。在流量测量方面，智能的差压流量计、电磁流量计都得到广泛应用。而金属管浮子流量计虽然在石油、化工、医药等领域有着广泛的应用，但由于大多工作环境恶劣，金属管浮子流量计的智能化改造有着一定的技术困难，加之金属管浮子流量计本身是低成本的仪表，如果改造成本过高，将会使其丧失本身的成本优势。

笔者设计了智能金属管浮子流量计，通过选用高性能、低功耗、低成本的微处理器，一方面将 HART 协议移植到金属管浮子流量计上实现总线通信，另一方面采用 Kalman 滤波方法，提高了流量计的精度。

2.流量计的硬件设计

智能金属管浮子流量计的硬件采用模块化设计，共分为传感器单元、微处理器单元、显示单元、总线通信单元和供电单元等五个模块。硬件框图如图 1 所示。

现场信号的检测，由传感器单元来完成，将磁钢嵌在流量计的浮子内部，霍尔元件固定在流量计外管壁，当流量改变时，浮子位置改变，磁钢的磁场随之改变，霍尔元件输出的电压经放大调理后送入微处理器单元。

微处理器单元的核心选用 TI 公司的 MSP430FE425，其运算速度高、超低功耗的同时，内部集成了 AD 转换器和 FLASH 存储器，因此可以有效地减少系统的配置，大大简化了系统的硬件组成，提高系统的运行的可靠性。微处理器单元接收传感器单元的检测信号，经滤波、温度补偿后将现场实际流量值送至显示单元显示，同时经总线通信单元、HART 总线送至上位机。

总线通信单元是 HART 协议物理层的硬件实现。一方面微处理器单元送出的数字信号经调制解调器 HT2012 调制成 FSK 频移键控信号，叠加在环路上发送到 HART 总线。另一方面总线通信单元将从 HART 总线接收到的信号解调，然后将数字信号送给微处理器单元。从而实现了智能金属管浮子流量计和上位机之间的双向通信。

3.流量计的软件设计

智能金属管浮子流量计的软件设计采用模块化编程结构，主要包括三个部分：输入模块、控制模块、输出模块。所有程序代码均采用 C 语言编写。

输入模块主要包括数据 采 集、 滤 波、 温 度 补偿、非线性补偿和数值计算等，总体采用定时器中断方式，程序流程图如图 2 所示。输入模块中的非线性补偿程序采用分段线性拟合的方式来实现。通过采集 9 组或 11 组流量信号，作为拟合直线的端点，当前采样值按数据大小得到拟合曲线段的斜率和初始数据，代入拟合方程即可得到修正后的流量数据。

控制模块包括键盘处理程序和看门狗程序，键盘处理功能是通过中断方式设置标志位在置入参数子程序中实现的。智能金属管浮子流量计在通过总线组网，实现上位机组态调试的同时，通过键盘，可以就地调试。

输出模块包括显示程序和通信中断服务程序。通信中断服务程序流程图如图 3 所示。

4.结论

在设计过程中，我们一方面采用了高性能、低功耗、低成本的微处理器，在金属管浮子流量计上实现了 HART 总线通信，实现了上位机组态，连接图如图 4 所示。另一方面充分考虑智能金属管浮子流量计在现场工作时由于管道机械振动和磁场不稳定的干扰，微处理器获得的信号有噪音，采用数字信号处理方法结合现代滤波技术，采用 Kalman 滤波方法，提高了流量计的精度。同时由于采取了温度补偿措施，提高了流量计的抗温度干扰能力。

经过现场测试，该流量计的瞬时流量基本误差为 0.8675%，回差为 0.725%；累计精度不超过 1.5%，温度影响 0.0019%/℃。