4-20 mA压力变送器的研制.pdf

第 期(总第 期)年 月山西电子技术研究与探讨收稿日期:基金项目:沈阳仪表科学研究院有限公司 年度院管项目()作者简介:刘忠强()男山西大同人高级工程师硕士研究生从事传感器应用技术嵌入式系统设计等工作文章编号:()压力变送器的研制刘忠强 张 立 张春晓 胡延丽 申安安 郭志勇(沈阳仪表科学研究院有限公司辽宁 沈阳)摘 要:针对生产过程参数在线监测系统的需求设计了测量水网管线压力的 压力变送器 该变送器采用国产 芯片作为整个系统的核心在线监测水网管线压力参数将监测到的压力转化为 的电流信号送入附近的 中 通过以太网将压力参数传输到石化控制室进行集中显示实现参数超限报警 着重介绍了压力变送器供电、传感器激励、环境温度采集、输出/转换、通信电路、机械结构、系统校准补偿和测试结果 该变送器具有使用简单、可靠性好、采集压力精度高等优点关键词:压力变送器校准补偿中图分类号:文献标识码:(.):./.:引言在石化厂生产过程中自动化监控发展需要自动采集流量、振动、压力、温度等过程参数 为了实时监测生产过程参数信息及时发现潜在故障建立一个石化水网管线过程参数实时在线监测系统尤为必要通过对水网管线中介质的温度、压力、流量的在线监测将监测到的参数送入附近的控制室进行集中显示实现参数超限报警 目前在石化等基础性行业中使用的压力变送器严重依赖进口在产品营销上存在国际贸易壁垒同时存在售价昂贵供货周期长急需国产化替代来解决国外引进产品的“卡脖子”问题 系统架构石化厂生产过程水网管线监测系统的架构如图 所示 压力变送器、温度变送器、流量变送器、液位变送器分别采集水网管线的压力、温度、流量和液位信息参数通过 电流信号将参数传输给 将来自现场变送器的数据汇聚后通过工业以太网送入控制中心进行监控处理在监控中心里实时显示监测对象的参数发生超限时进行报警图 水网管线监测系统的架构图 压力变送器设计.调理电路方案选择 压力变送器主要由压力传感器、调理电路、输出转换电路组成目前调理电路的典型架构主要包括仪表放大器 变送放大器、集成式调理芯片三类仪表放大器 变送器放大器架构通过可变电阻人工调整零点及灵敏度温度补偿主要采用对芯体的补偿 精度低 架构使用校准算法灵活精度高但此类架构对器件功耗要求高成本相应高分立元器件体积大同时存在软件可靠性的问题 集成式调理芯片 架构的调理电路是一款国产化的调理芯片集成度高仅需最少的外部器件即可实现压力变送模块的校准和变送具有高性能、高精度等优点本压力变送器主要实现国产化和高精度小型化因此采用集成式调理芯片 的方案.硬件设计.简介图 芯片框架图 是一颗高集成度的用于阻式传感器例如惠斯通电桥压力传感器信号调理和变送输出的专用芯片是中国苏州纳芯微电子股份有限公司研发和 生 产 图 是 芯 片 框 架 图 芯片主要由五部分组成模拟前端模块包含一个由仪表 和 位 构成的主信号通道一个内置温度传感器和 位 构成的辅助温度测量通道提供高精度的传感器信号及温度采集 内置 及数字控制逻辑模块包含了内置、寄存器表、控制逻辑及高精度内部时钟源等 芯片配置和传感器校准参数保存在 字节的 中 模拟输出模块由一个 位的 和一个可以灵活配置的具有多种电压、电流或者 模式的输出驱动电路组成 电源及驱动模块包含一个高精度参考电压源传感器驱动恒压源双路恒流源 控制器 串行接口模块包括 用于配置参数校准系数以及测量数据的读写.电路原理图图 压力变送器电路原理图 图 为压力变送器的电路原理图 端为 的 端为 的 端子为压力传感器的接口采用 进行电路设计需要考虑供电和防护模块、传感器激励模式和温度测量模块、模拟输出/转换与通信电路的设计.供电和防护模块设计本压力变送器电源芯片 选择 是超低功耗电源稳压器输出 电压电源芯片输出的电压 接 入 的 管 脚 作 为 内部电路的供电电源 电路原理图中 是防反接二极管 是双向瞬态电压抑制器 电流环路上的两个磁珠 和 对耦合到环路中的高频信号起到一定的抑制作用.传感器激励模式和温度测量模块本系统采用 压力传感器 压力传感器是一种新型的、先进的物性型压力传感器 沈阳仪表科学研究院有限公司提供的 压力传感器具有高温压力传感器性能指标稳定性好、宽温区的性能分散性低环境适应性好、寿命长和可靠性高等技山 西 电 子 技 术 年第 期 年第 期刘忠强等:压力变送器的研制术优点 压力传感器输出采用惠斯通电桥结构它由四个压阻连接成电桥电阻随外界的压力的变化而变化在理想的情况下外界压力为零四个电阻大小相等压力传感器输出电压为零 当外界施加压力输出电压与电阻变化量成线性关系图 传感器激励及温度测量电路图 是压力传感器激励和温度测量电路 压力传感器既可以电压源供电也可以电流源供电本设计压力传感器采用电流源供电 有两路恒流源输出为了降低恒流源的温度系数提高压力变送器的精度本设计采用外部电阻模式恒流源恒流源 为电流输出管脚 管脚接 低温漂电阻 恒流源输出接传感器的 端传感器的 端接地传感器的 端接 的 管脚传感器的 端接 的 管脚 内部包含一个温度传感器如果采用内部的温度传感器存在 与压力传感器温度差异以及温度变化不一致问题 本设计为了在环境温度变化的情况下提高压力变送器的测量精度采用外部温度传感器的模式就是利用压力传感器电桥本身作为温度传感器直接反应了传感器的温度 变 化 将 压 力 传 感 器 电 桥 的 端 接 入 的 管脚作为外部温度输入.输出/转换和通信电路二线制变送器的核心设计思想是将所有的电流都包括在/电压转换电流的反馈环路内如图 电路原理图所示 引脚输出电压信号经过外围电压转换电流电路调节环路电流 反馈电阻 串联在电路的低端所有的电流都将通过反馈电阻 流回到电源负极包含了所有电路的耗电图中的 是 高精度低漂移电阻 这个电阻直接影响 电路输出的特性本压力变送器通过 的环路就能通信完成校准和测试任务 的通信控制通过调制电源信号来实现电路原理图中的 电阻为 电容为 耦合电容把电源上的调制信号耦合到芯片的 引脚上 信号返回是通过控制 引脚电压调制电流输出数字信号.结构设计压力变送器整机由压力传感器变送器电路板变送器外壳变送器电连接器组成压力传感器焊接在压力接口内变送器电路板焊接在压力传感器的引出线上同时通过螺钉固定在压力接口的固定柱上变送器外壳通过焊接安装在压力接口上变送器电连接器通过螺钉安装在外壳顶部 整机结构提升抗振动冲击性能满足小尺寸结构设计等高可靠要求 压力变送器的校准补偿图 压力变送器校准补偿系统框图图 是压力变送器校准补偿系统框图 压力变送器校准补偿系统由压力变送器校准测试通信转换板供电稳压源和装有校准补偿测试软件的上位机组成 校准测试通信转换板能将 协议与通信协议进行相互转换校准补偿软件主要包括芯片的参数配置、初始化、原始压力数据的采集、校准系数计算写入、的锁定与测试验证正确的芯片寄存器参数配置是保证产品合格的关键步骤 图 是校准补偿软件芯片寄存器配置界面 传感器激励电流 输出 放大倍数 选择 倍温度传感器 选择 放大倍数 为 倍图 校准补偿软件芯片寄存器配置目前常用的温度补偿方法主要有两大类:硬件补偿和软件补偿 硬件补偿方法存在调试困难、精度低、通用互换性差等缺点 软件补偿方法是利用微处理器采集压力信号、温度信号采用数字信号处理技术对温度漂移产生的误差进行补偿得到高精度的压力信号本设计采用软件算法温度补偿 支持对传感器的零点灵敏度的最高二阶温度漂移校准以及最高三阶的非线性校准校准精度理论上可以达到.以内 校准算法为拟合校准取 个温度点 、和 在每个温度点采集 个压力值 计算出校准系数并存储在 中 压力变送器的测试本压力变送器工作温度范围为 分别在 温度点测试在每个温度点上分别给定 个压力点(.)每个压力点上分别记录输出的电流值这是正行程接着进行反行程测试 正行程、反行程循环测试 次 用端距法计算出压力变送器准确度为.优于准确度.结束语本文设计了石化厂水网管线过程参数在线监测系统中的压力变送器压力变送器所有元器件都采用了国产化元器件自主可控真正意义上实现了高精度压力变送器国产化替代 压力变送器输出的 电流信号经过 汇聚后通过工业以太网上传到控制室进行压力参数的集中显示实现参数超越报警 整个系统实现石化厂水网管线过程参数的实时在线监测具有一定的实用和推广价值参考文献 李小龙孙飞.兼容性 在水利信息化中的应用.水利水电快报():.苏州纳 芯微电子股份有限公司:.庄奕琪.电子设计可靠性工程.西安:西安电子科技大学出版社.孙克吕艳张东旭.压力传感器及其应用.仪表技术与传感器():.张倩.压阻式压力传感器测量系统的研究.上海:东华大学.(上接第 页)息会实时备份到备用 中实现无缝衔接.流氓 检测隔离机制由于某个 工作异常、攻击者通过 进行更换或重新编程不依据 下发的授权时隙进行数据上传或不依据 分配的逻辑通道 发送上行数据 这种影响其他 正常工作导致上行时隙的重叠或者逻辑通道冲突引起 产生误码甚至业务中断的现象称为流氓 可通过流氓 检测隔离机制进行预防和处理该机制可分为检测、定位和隔离 个步骤检测即通过技术手段对异常工作的 进行识别 对于连续长发光型流氓 和瞬间长发光型 口会出现误码、上行突发丢失、掉线等告警可通过 口告警或定期在非授权时隙检测等方式进行异常识别 对于逻辑通道非法抢占情况一般为逻辑通道业务异常或告警辨识上会困难一些定位即检测出异常后对故障 进行定位对于连续长发光型的流氓 可通过 对 顺序下发关光指令或顺序物理断开 后根据系统异常状态变化的方式进行定位 对于瞬间长发光型的流氓 可以从 列表中出现告警的 位置统计信息得到流氓 及受影响 清单再通过和连续长发光型的流氓 类似的方式进行定位 对于逻辑通道非法抢占的情况可通过检测 上线时间结合逻辑通道相关业务异常时间得到清单通过类似方式进行最终定位最后针对定位出的流氓 可远程发送下线指令或采用人工关电来进行隔离 对于非法抢占逻辑通道的流氓 也可以采用逻辑通道编号和 认证信息绑定的方式进行防护 上行的非法逻辑通道的业务无法匹配绑定清单中的条目会对该业务进行忽略 结束语本文针对工业 的基本原理、优劣势以及未来发展方向进行了浅析针对工业制造转型升级需求助力打造工业 新版本为工业企业提供更高质量、更加可靠的通信网络实现改进行业生产质量、提升行业全流程生产效率、提高全产业链协作效能的战略目标山 西 电 子 技 术 年第 期