CN102564530B - 一种智能4～20mA两线制光电物位变送器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种智能4～20mA两线制光电物位变送器，其特征在于：包括处理器，以及与处理器相连的电源转换电路、光电传感器控制检测单元、DA转换器和HART通讯单元；其中，处理器控制采集光电传感器控制检测单元从而得到液位信号，该液位信号通过DA转换器转换为4～20mA标准信号，同时通过HART通讯单元在4～20mA载波符合Bell202国际标准协议，实现变送器与控制室之间的双向数字通讯。其具有低功耗、供电范围宽，对传感器数据有超强纠错能力，稳定可靠性高，减小现场人员的维护强度等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种智能4～20mA两线制光电物位变送器。
背景技术
在油品储罐测量中钢带物位计应用十分广泛，而在钢带物位计中采用红外光电传感器检测液位的方式为最多。目前在现场自动化信息管控系统中，4～20mA信号的应用已得到普遍认同，具有4～20mA输出的钢带物位计也越来越多得到广泛应用。但在目前使用中的光电液位变送器因为处理电路的限制，变送器普遍采用三线制，其中两根为供电电源，一根为4～20mA信号输出，该电路工作条件要求较高且存在诸多缺点和不足：在有本安防爆要求的使用场所，因为变送器要求供电电压较高、工作电流大，选配安全栅非常困难；变送器三线制的工作方式还会导致现场工程线缆成本的增加；变送器在4～20mA三线制输出形式下没有载波的HART数字接口，与控制室无法实现双向数据传输，仪表维护困难；变送器液位检测的红外光电传感器关键部分采用普通门电路自身逻辑处理，数据出错率高；变送器红外光电传感器长时间的工作老化使传输特性变化，匹配偏差的增大造成工作稳定性降低；对传感液位的格雷码带制作工艺要求严、生产成本高以及现场运行维护工作强度大等。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种智能4～20mA两线制光电物位变送器，以克服现有技术中存在的缺陷。其具有低功耗、供电范围宽，对传感器数据有超强纠错能力，稳定可靠性高，减小现场人员的维护强度等优点。
本发明的技术方案为：一种智能4～20mA两线制光电物位变送器，其特征在于：包括处理器，以及与处理器相连的电源转换电路、光电传感器控制检测单元、DA转换器和HART通讯单元；其中，处理器控制采集光电传感器控制检测单元从而得到液位信号，该液位信号通过DA转换器转换为4～20mA标准信号，同时通过HART通讯单元在4～20mA载波符合Bell202国际标准协议，实现变送器与控制室之间的双向数字通讯。
包括与电源转换电路相连的极性转换电路或单二极管，以实现对变送器电源的不分极性的接入。
所述极性转换电路为二极管整流桥电路。
所述电源转换电路是DC-DC转换电路，用于转换为系统工作电源。
所述处理器采用低功耗的处理器，以降低系统功耗。
所述DA转换器采用直接转换为4～20mA的D/I型DA转换器，或者为D/V转换和V/I转换组合的复合型转换电路。
所述HART通讯单元采用符合Bell202标准的HART芯片，HART通讯单元解调由控制室发过来的Bell202载波电压信号为通讯指令，然后把变送器数据以电流形式调制载波到4~20mA电流环上，最终达到控制室系统与变送器设备之间的双向数据交换传输。
本发明的技术效果为：
1.变送器实现了4~20mA两线制信号传输，在同类产品中属于首创；
2.变送器的数据纠错处理能力强，可靠性有较大提高；
3.变送器供电范围宽，适应了在本安防爆场合仪表对更多的安全栅选择；
4.变送器在两线制基础上支持HART通讯接口，方便双向数据传输和仪表维护；
5.变送器对自身的健康状态有诊断功能，可以做到故障提前预知与处理；
6.变送器的性能的提高和适应能力的增强，降低了现场人员的维护工作量。
7.变送器采用了低功耗纠错能力强的光电传感器的处理电路，整机功耗低、电源供范围宽，数据纠错能力强，在大大提高光导物位计的性能的基础上实现了4～20mA两线制变送输出，方便DCS数据采集系统的集成。
附图说明
图1为本发明示意图。
附图标记如下：
1.极性转换电路、2.电源转换电路、3.处理器、4.光电传感器控制检测单元、5.DA转换器、6.HART通讯单元。
具体实施方式
本发明涉及物位测量仪表技术领域，具体的说涉及一种智能4~20mA两线制光电物位变送器电路。
参见图1，本发明涉及的一种智能4～20mA两线制光电物位变送器的具体为：
包括处理器3，以及与处理器3相连的电源转换电路2、光电传感器控制检测单元4、DA转换器5和HART通讯单元6；其中，处理器3控制采集光电传感器控制检测单元4从而得到液位信号，该液位信号通过DA转换器5转换为4～20mA标准信号，同时通过HART通讯单元6在4～20mA载波符合Bell202国际标准协议，实现变送器与控制室之间的双向数字通讯。
本发明中还可包括与电源转换电路2相连的极性转换电路1或单二极管，以实现对变送器电源的不分极性的接入。其实现现场变送器的接线正负不分极性，该方式可以方便用户不必要的极性识别或由此造成的设备损坏。所述极性转换电路1具体可为二极管整流桥电路。
本发明中的电源转换电路2可为DC-DC转换电路，用于把二极管整流桥整流后的电源转换为系统工作电源。该转换电路输入电压范围宽，转换效率高，以适应现场的宽电源供电和变送器系统功耗的要求。
本发明中的处理器3可采用低功耗的处理器，以降低系统功耗。该处理器3与光电传感器控制检测单元（4）连接并按照其逻辑要求完成液位数据的采集处理；处理器（3）与HART通讯单元（6）、DA转换器（5）等电路完成相应功能的实现。
本发明中的光电传感器控制检测单元4，功耗低、纠错能力强的、电路逻辑电平识别能力强，适应性好，可靠性能高，非常适合多通道光电转换电路的信号处理，并有自诊断能力。光电传感器控制检测单元4的部分电路可以由集成在处理器中内部功能模块实现，如AD转换器、比较器等，以减少外围器件，降低故障点数量，提高产品可靠性。
本发明中的DA转换器5可采用直接转换为4～20mA的D/I型DA转换器，也可以为D/V转换和V/I转换组合的复合型转换电路。DA转换器5采用高精度DA数模4～20mA转换电路，通过处理器3输出的数字量直接把变送器的回路电流调整转换为4～20mA模拟信号，还可以通过DA转换器把数字量转换为电压模拟量，再通过V-I模拟电压转换为4～20mA模拟信号组成的复合电路，也可以是由脉冲宽度调制方式实现的数字量与4～20mA转换的复合电路。DA转换器5用于把采集数字数据转换为4～20mA的模拟信号。
本发明中的HART通讯单元6采用符合Bell202标准的HART芯片，该单元解调由控制室发过来的Bell202载波电压信号为通讯指令，然后把变送器数据以电流形式调制载波到4～20mA电流环上，最终达到控制室系统与变送器设备之间的双向数据交换传输。该单元由HART modem芯片及其外围电路组成。该单元符合Bell202国际标准协议，内部集成了调制解调器，其数字接口与处理器相连，采用频移键控FSK技术调制出叠加在4～20mA模拟信号上编码载波信号，并可以解调出HART单元接收到的载波信号给处理器，以实现计算机与变送器之间的上行和下行的双向数据交互传输。
如图1所示，由外部电源通过极性转换电路1，把不分极性的外部电源整流进行极性转换后给电源转换电路DC—DC的输入端，电源转换输出系统电源，供处理器和其他电路使用。
处理器采用超低功耗MSP430系列MCU，在1MHz工作时钟下，2.2V供电电源时的功耗只有280uA，最低工作电压1.8V，处理器片内有8路12bitAD转换器，方便与光电传感器控制检测单元的功能实现；处理器也同时与DA转换器、HART通讯单元等电路接口完成相应功能的实现和数据运算处理。
处理器通过控制光电传感器控制检测电路单元，使输出相应红外传感器接收通道的电压输出信号，该信号由处理器内部AD转换器完成采样，并通过内部设定的门限值，进行逻辑纠错判断而输出相应的液位值。
4～20mA电流信号的转换采用美国ADI公司推出的一种单片高性能模式转换器（数字/电流），为16bit串行SPI方式输入，4～20mA输出，它提供了高集成、低功耗、高精度的信号转换方案。
HART通讯采用HART modem专用芯片，该芯片片内集成了符合BELL202标准的调制解调器，与其外围电路来实现HART协议规定数字通讯的编译码。HART通讯的数据采用频移键控FSK技术进行调制解调信号，调制的信号即在4～20mA模拟信号上叠加一个频率，该频率符合BELL202标准，1200HZ表示“0”，2200HZ表示“1”，信号幅度0.5mA，在一个信号周期内，FSK信号的平均值为0，不会对4～20mA模拟信号产生任何影响；同时也对接收的频率信号解调输出给处理器以完成双向的数据传输。
Claims (1)
1.一种智能4～20mA 两线制光电物位变送器，其特征在于：包括处理器（3），以及与处理器（3）相连的电源转换电路（2）、光电传感器控制检测单元（4）、DA 转换器（5）、HART通讯单元（6）和与电源转换电路（2）相连的极性转换电路（1）或单二极管，以实现对变送器电源的不分极性的接入；其中，处理器（3）控制采集光电传感器控制检测单元（4）从而得到液位信号，该液位信号通过DA 转换器（5）转换为4 ～ 20mA 标准信号，同时通过HART 通讯单元（6）在4 ～ 20mA 载波符合Bell202 国际标准协议，实现变送器与控制室之间的双向数字通讯；包括；所述DA 转换器（5）采用直接转换为4 ～ 20mA 的D/I 型DA 转换器，或者为D/V转换和V/I 转换组合的复合型转换电路；所述极性转换电路（1）为二极管整流桥电路；所述电源转换电路（2）是DC-DC 转换电路，用于转换为系统工作电源；所述HART通讯单元（6）采用符合Bell202标准的HART 芯片，HART 通讯单元（6）解调由控制室发过来的Bell202载波电压信号为通讯指令，然后把变送器数据以电流形式调制载波到4~20mA电流环上，最终达到控制室系统与变送器设备之间的双向数据交换传输；实现了4～20mA 两线制变送输出，方便DCS数据采集系统的集成；所述处理器（3）采用超低功耗MSP430 系列MCU，在1MHz 工作时钟下，2.2V 供电电源时的功耗只有280uA，最低工作电压1.8V，处理器片内有8路12bitAD转换器，方便与光电传感器控制检测单元的功能实现。
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