高性能智能壓力變送器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

畢監(jiān)勃

(重慶四聯(lián)測(cè)控技術(shù)有限公司，重慶 401121)

工業(yè)生產(chǎn)中，壓力變送器主要用于連續(xù)地測(cè)量工藝參數(shù)，因而用量最大，廣泛應(yīng)用于冶金、電力、化工、煤化工、核電、建材、船舶、機(jī)械制造、垃圾處理、高速公路及城市供熱等領(lǐng)域。隨著工業(yè)自動(dòng)化控制的快速發(fā)展，其對(duì)壓力變送器的應(yīng)用要求也越來(lái)越高，比如：精度、穩(wěn)定性和連續(xù)的工作模式，而且壓力變送器長(zhǎng)期與油、水、汽、高溫、低溫、振動(dòng)沖擊、電磁干擾、潮氣、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿或強(qiáng)腐蝕介質(zhì)接觸，故對(duì)其膜片材料、外殼及防腐性能等均提出了更高的要求[1～3]。近年來(lái)，隨著國(guó)家安全法規(guī)的執(zhí)行以及系統(tǒng)的智能升級(jí)，要求變送器必須具備SIL完整性安全認(rèn)證、HART通信、ProfiBus或FF總線協(xié)議功能。

重慶四聯(lián)測(cè)控技術(shù)有限公司組織研發(fā)隊(duì)伍，設(shè)計(jì)了一款具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能智能壓力變送器，在此筆者著重給出其設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)方法。

1 系統(tǒng)組成①

高性能智能壓力變送器(圖1)由電源、復(fù)合傳感器、顯示器、SD2015 HART通信模塊、CPU處理器、ADS1241信號(hào)采集模塊和外部防雷模塊組成。其中復(fù)合傳感器、HART通信模塊、CPU處理器是產(chǎn)品的核心部件。

圖1 壓力變送器組成框圖

1.1 信號(hào)采集

采用應(yīng)變電阻原理在半導(dǎo)體上制作復(fù)合傳感器，傳感器基體受力發(fā)生變化時(shí)應(yīng)變電阻也發(fā)生變化，在恒流激勵(lì)下，電阻上的電壓變化量與壓力變化量成正比關(guān)系。信號(hào)放大后經(jīng)高速采樣AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送入CPU處理器完成運(yùn)算。

ADS1241是具有24位分辨率的高精度、動(dòng)態(tài)特性的Δ-Σ型模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，具有24位無(wú)丟碼特性和21位有效分辨率。具有可選的輸入緩沖，可以提高輸入阻抗，使其可以直接與變送器或微小電平信號(hào)連接。而內(nèi)置的熔斷電流源則可以檢測(cè)傳感器的開(kāi)路或短接狀態(tài)。

1.2 顯示模塊

高性能智能壓力變送器設(shè)計(jì)有專(zhuān)用液晶顯示器，采用超寬溫LCD，適用于-35℃～+85℃，解決了我國(guó)東北和西北地區(qū)超低溫環(huán)境的變送器應(yīng)用問(wèn)題。配合CPU處理器，可顯示壓力、電流和百分比。進(jìn)行壓力顯示的單位有mA、MPa、kPa、Pa、gf/cm2、kgf/cm2、mmH2O、inH2O、ftH2O、mbar、bar、psi、mmHg、inHg、Torr、atm共16種單位，可適用于全球不同的地區(qū)。

1.3 HART通信模塊

采用新型SD2015 HART通信模塊，SD2015是專(zhuān)為實(shí)現(xiàn)HART協(xié)議而設(shè)計(jì)的CMOS單芯片調(diào)制解調(diào)器，符合HART協(xié)議的通用命令、常用命令和專(zhuān)用命令。SD2015使用相位連續(xù)的頻移鍵控FSK技術(shù)，傳輸速率1 200b/s，半雙工通信，符合HART協(xié)議物理層要求。芯片的典型工作電流在5.0V電壓時(shí)為150μA，3.3V時(shí)為90μA，低于現(xiàn)有的HART調(diào)制解調(diào)器芯片。誤碼率小于百萬(wàn)分之一，是HART協(xié)議要求的百分之一。

SD2015功耗低、可靠性強(qiáng)，尤其適用于關(guān)注功耗的應(yīng)用場(chǎng)合。芯片只需外加少量無(wú)源元件，即可滿足HART物理層規(guī)范功能要求，包括調(diào)制與解調(diào)、輸入信號(hào)濾波、載波檢測(cè)及發(fā)送信號(hào)波形整形等。低功耗的SD2015和CPU M3030RFC應(yīng)用，使得產(chǎn)品功耗大為降低，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)無(wú)線變送器創(chuàng)造了有利條件。

1.4 CPU處理模塊

高性能智能壓力變送器采用了低功耗的M3030系列微處理器，其優(yōu)勢(shì)有：運(yùn)行速度快，最大運(yùn)行頻率16MHz；24位單端差分；8KByte的FLASH存儲(chǔ)器；有8種放大倍數(shù)設(shè)置，最大可達(dá)128倍；多功能UART串行通信功能；兩個(gè)DMAC通道；CRC計(jì)算電路；監(jiān)視定時(shí)器；主時(shí)鐘產(chǎn)生電路和子時(shí)鐘產(chǎn)生電路；87個(gè)I/O端口和10個(gè)外部中斷管腳。

采用M3030處理器構(gòu)成的控制的系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)故障信號(hào)的分類(lèi)與識(shí)別、等級(jí)設(shè)置、屏蔽，顯示驅(qū)動(dòng)與中斷觸發(fā)；完成對(duì)變送器的非線性和溫度影響的補(bǔ)償校正時(shí)，進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)算功能；運(yùn)行系統(tǒng)軟件，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、存儲(chǔ)和處理，還可以通過(guò)反饋回路進(jìn)行自動(dòng)增益比調(diào)節(jié)，以使采集數(shù)據(jù)達(dá)到最佳。

1.5 補(bǔ)償系統(tǒng)

為提高變送器的量程比，提高溫度性能、線性度及長(zhǎng)期穩(wěn)定性等指標(biāo)，必須對(duì)傳感器性能進(jìn)行補(bǔ)償校正[4]。高性能智能壓力變送器采用數(shù)字濾波，能夠有效抑制干擾，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理及去除異常數(shù)值等；應(yīng)用最先進(jìn)的神經(jīng)元補(bǔ)償算法；在信號(hào)較小時(shí)，實(shí)現(xiàn)增益自動(dòng)調(diào)節(jié)，提高了產(chǎn)品的量程比，也提高了小量程時(shí)的產(chǎn)品精度、穩(wěn)定性和可靠性；增加異常中斷功能，識(shí)別傳感器、電路、設(shè)置及數(shù)據(jù)采樣等故障分析點(diǎn)，在產(chǎn)品出現(xiàn)相應(yīng)故障時(shí)直接顯示故障現(xiàn)象。軟件編程采用C語(yǔ)言，系統(tǒng)主程序流程如圖2所示。

2 硬件電路

高性能智能壓力主送器的關(guān)鍵芯片是信號(hào)采集模塊ADS1241、HART通信模塊SD2015和CPU處理器，其硬件電路如圖3～5所示。

圖2 主程序流程

圖3 信號(hào)采集模塊電路

圖4 HART通信模塊電路

圖5 CPU處理器

3 整機(jī)性能

高性能智能壓力變送器采用了新型的低功耗高性能集成電路、先進(jìn)的設(shè)計(jì)思路和優(yōu)化的補(bǔ)償算法，提升了產(chǎn)品的性能、質(zhì)量、可靠性和功能。其主要性能指標(biāo)如下：

基本精度 ±0.074%，±0.004%

量程比 100∶1

量程范圍 差壓0～20MPa 壓力0～70MPa

輸出信號(hào) 4～20mA疊加HART協(xié)議

過(guò)載極限 差壓42MPa 壓力105MPa

溫度范圍 環(huán)境溫度-40～85℃

溫度影響量 ±0.072%/28℃

長(zhǎng)期漂移 不大于0.1%/5a

防爆 本安型Ex ia IIC T6

隔爆型Ex d IIC T6

防護(hù)等級(jí) IP67

高性能智能壓力變送器除了常規(guī)的應(yīng)用功能外，新增了獨(dú)具特色的新功能，具體如下：

a. 集成自診斷功能。通過(guò)HART通信啟動(dòng)診斷功能，包括SENSOR、ROM、RAM、EEPROM和軟件運(yùn)行狀況；工作計(jì)時(shí)器累計(jì)工作事件；超限監(jiān)視器壓力值、傳感器溫度和電子部件溫度；維護(hù)定時(shí)器。

b. 操作靈活方便。常規(guī)智能壓力變送器在設(shè)定參數(shù)時(shí)，必須使用HART手操器。為了提高筆者介紹變送器的使用靈活性，設(shè)計(jì)時(shí)增加了“本地組態(tài)”功能?？赏ㄟ^(guò)3個(gè)按鍵，在現(xiàn)場(chǎng)完成HART手操器的功能，如設(shè)定變送器的零點(diǎn)、量程、阻尼、輸出顯示、單位及零點(diǎn)校正等功能。此功能可在0區(qū)爆炸環(huán)境中使用。

c. 仿真。可以定時(shí)對(duì)過(guò)程及其自身進(jìn)行監(jiān)視，在超過(guò)定義數(shù)量的事件之后，發(fā)送相關(guān)的測(cè)量值，并同時(shí)進(jìn)行響應(yīng)，從一個(gè)簡(jiǎn)單的“數(shù)值指示器”升級(jí)為“數(shù)值分析器”。可以通過(guò)HART傳輸診斷事件，輸出電流不受影響，診斷原理如圖6所示。也可以在零壓力條件下，模擬系統(tǒng)運(yùn)行，仿真壓力值、傳感器溫度、電子部件溫度，輸出不同的調(diào)試電流，用于系統(tǒng)開(kāi)車(chē)前的檢查、聯(lián)調(diào)和系統(tǒng)故障分析。

圖6 仿真診斷原理

4 結(jié)束語(yǔ)

高性能智能壓力變送器經(jīng)過(guò)兩年多的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、測(cè)試、完善和工藝布局，進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。在電力、冶金、建材、化工、煤化工及石油石化等生產(chǎn)裝置中投入運(yùn)行，證實(shí)該變送器的可靠性和精度都比較高，操作靈活、方便、快捷，與同類(lèi)變送器相比具有較高的性價(jià)比。