基于HART协议的核辐射法液位测量控制系统设计*

田俊伟, 王小鹏, 孙志成

(兰州交通大学 电子与信息工程学院,甘肃 兰州 730070)



基于HART协议的核辐射法液位测量控制系统设计*

田俊伟, 王小鹏, 孙志成

(兰州交通大学 电子与信息工程学院,甘肃 兰州 730070)

为提高粘稠和高温环境下液位的测量和控制精度，提出了一种基于HART协议的核辐射法液位测量和控制系统。HART模块由A5191和AD5421组成，以STM32为控制核心，采用校正平均算法减小测量误差。详细阐述了系统软硬件设计方案，实现了液位的精确测量和控制。

HART协议； 核辐射法； STM32； 液位测量

0　引　言

常用的液位传感器类型有浮筒式液位传感器[1]、静压式液位传感器[2]、超声波液位传感器[3]、光纤液位传感器[4，5]。浮筒式液位传感器安装复杂，可靠性低。静压式传感器受介质密度和温度影响较大。超声波液位传感器易受传播介质的温度和密度等参数的影响，液面对超声波的吸收作用也会导致测量误差加大。光纤液位传感器机械传动部件较多使得故障率增加，安装复杂。

本文系统采用基于HART协议的核辐射法[6]测量液位，在不增加线路开支的情况下，在传统4～20 mA模拟电流回路上叠加数字信号，从而使模拟信号和数字双向通信能同时进行。核辐射法是非接触式的液位测量方法，该方法特别适用于密闭容器中高温、高压、高粘度、强腐蚀、剧毒物料液位的测量。由于核辐射射线有不受温度、湿度、压力、电磁场等影响的特性，所以可在高温、烟雾、尘埃、强光及强电磁场等环境下工作。

1　系统设计

1.1核辐射法

核辐射法的原理是射线透过物料时其强度随介质的厚度(或高度)变化而变化，射线的透射强度随着通过介质层厚度的增加而减弱。入射强度为I0的放射源，随介质厚度增加其强度呈指数规律衰减，其关系为

I=I0e-uH

(1)

式中μ为介质对放射线的吸收系数，H为介质的厚度，I为穿过介质后的射线强度。只要测定通过介质后的射线强度I，介质的厚度H可求。介质层的厚度，即液位或料位的高度。辐射源发射的射线穿过被测物料后由接收器接收，接收器由闪烁体、光电倍增管、前置放大电路组成，安装在被测容器另一侧，射线由闪烁计数器吸收，射线越强，电流脉冲数越多。核辐射法原理示意图如图1所示。

1.2系统整体设计

系统采用核辐射法来测量液位的高度，为保证对射线接收器输出的脉冲信号的准确计数，采用了ARM7系列的STM32处理器，该处理器具有高精度的脉冲捕获功能。系统整理框图如图2所示。

图1　辐射法原理示意图

图2　系统整体框图

STM32将捕获的脉冲频率转换成相应的液位高度，高度值经SPI口送到AD5421，转换成对应的4～20 mA电流传送到HART总线[7～9]。控制系统从总线读取数据，对液位高度值进行分析，进而控制电动阀来调节进料。手操器作为辅助的可移动设备，可以在现场很方便地接入到HART总线，对液位高度等参数值进行查询和设置。

2　硬件设计

2.1HART通信模块

HART协议通信模块需要完成与控制系统或手操器交换设置参数、测量数据、校准参数等信息，以及将测量的液位高度转换成4～20 mA标准模拟电流环信号输出等功能。HART通信模块结构框图如图3所示。

图3　HART通信模块结构框图

HART通信模块主要由STM32处理器、A5191HRT和AD5421型DAC组成。AD5421接收来自STM32的数字信号的液位测量结果并转换成4～20 mA电流输出。A5191HRT接收叠加在4～20 mA环路上的FSK信号，解调后传输给STM32，或将STM32产生的应答帧信息调制成FSK信号经波形整形器后由AD5421叠加在4～20 mA环路上发送出去。

2.2系统整体电路

系统整体电路图如图4所示。

图4　系统整体电路图

图4中载波检测OCD和请求发送INRTS接到STM32的普通I/O口，HART调制输入ITXD和解调输出接ORXD分别接STM32串口的TXD和RXD，OTXA将调制后的FSK信号送到AD5421。AD5421兼容HART协议的FSK通信电路，适合低功耗、高精度、低成本的智能工业控制应用。AD5421由电压调整器、∑-△结构DAC核和电流放大器组成，可将16 bit数字码转换为对应的4～20 mA模拟电流。

3　系统软件设计

3.1主程序设计

软件系统在RealView MDK开发环境下，利用STM32官方固件库用标准C语言编写，主要包括系统初始化、开定时器捕获、读取分析脉冲计数、数据发送。软件系统主程序流程图如图5所示。

图5　主程序流程图

3.2数据获取和处理

为保证输入脉冲波形不失真，射线接收器输出的脉冲经过整形电路整形后再输入给STM32捕获。计算脉冲时采用一种校正平均算法，算法表示为

(2)

(3)

4　系统测试

为验证系统的准确度和可靠性，采用规则的矩形罐体做数据测试，测得的数据如表1所示。测量最大误差4.1cm，最大相对误差0.50 %，精度达到0.5 %FS,表明系统性能和精度能够满足工业测量和控制的要求。

表1　液位测量数据

5　结　论

设计了一种基于HART协议的核辐射法液位测量控制系统，该系统可用于高温、高压、高粘度、强腐蚀、剧毒液位的测量和控制。系统采用低功耗的STM32型MCU和A5191型HART调制解调芯片。实现了液位的实时测量和显示、参数的设置和校准。经过工业现场测试表明：该系统精确度高，性能稳定，能够满足工业现场环境对液位的测量和控制要求，能够提高相关工业的自动化控制程度。

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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

国家自然科学基金资助项目(61261029)；金川公司预研基金项目(JCYY201309)

TP 273

A

1000—9787(2016)09—0072—03

田俊伟(1988-)，男，湖北孝感人，硕士研究生，主要研究方向为数字信号处理。