高性能智能壓力變送器的設計與實現

畢監勃

(重慶四聯測控技術有限公司，重慶 401121)

工業生產中，壓力變送器主要用于連續地測量工藝參數，因而用量最大，廣泛應用于冶金、電力、化工、煤化工、核電、建材、船舶、機械制造、垃圾處理、高速公路及城市供熱等領域。隨著工業自動化控制的快速發展，其對壓力變送器的應用要求也越來越高，比如：精度、穩定性和連續的工作模式，而且壓力變送器長期與油、水、汽、高溫、低溫、振動沖擊、電磁干擾、潮氣、強酸、強堿或強腐蝕介質接觸，故對其膜片材料、外殼及防腐性能等均提出了更高的要求[1～3]。近年來，隨著國家安全法規的執行以及系統的智能升級，要求變送器必須具備SIL完整性安全認證、HART通信、ProfiBus或FF總線協議功能。

重慶四聯測控技術有限公司組織研發隊伍，設計了一款具有自主知識產權的高性能智能壓力變送器，在此筆者著重給出其設計原理和實現方法。

1 系統組成①

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

圖1 壓力變送器組成框圖

1.1 信號采集

采用應變電阻原理在半導體上制作復合傳感器，傳感器基體受力發生變化時應變電阻也發生變化，在恒流激勵下，電阻上的電壓變化量與壓力變化量成正比關系。信號放大后經高速采樣AD轉換為數字信號，送入CPU處理器完成運算。

ADS1241是具有24位分辨率的高精度、動態特性的Δ-Σ型模擬/數字轉換器，具有24位無丟碼特性和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連接。而內置的熔斷電流源則可以檢測傳感器的開路或短接狀態。

1.2 顯示模塊

高性能智能壓力變送器設計有專用液晶顯示器，采用超寬溫LCD，適用于-35℃～+85℃，解決了我國東北和西北地區超低溫環境的變送器應用問題。配合CPU處理器，可顯示壓力、電流和百分比。進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。

1.3 HART通信模塊

采用新型SD2015 HART通信模塊，SD2015是專為實現HART協議而設計的CMOS單芯片調制解調器，符合HART協議的通用命令、常用命令和專用命令。SD2015使用相位連續的頻移鍵控FSK技術，傳輸速率1 200b/s，半雙工通信，符合HART協議物理層要求。芯片的典型工作電流在5.0V電壓時為150μA，3.3V時為90μA，低于現有的HART調制解調器芯片。誤碼率小于百萬分之一，是HART協議要求的百分之一。

SD2015功耗低、可靠性強，尤其適用于關注功耗的應用場合。芯片只需外加少量無源元件，即可滿足HART物理層規范功能要求，包括調制與解調、輸入信號濾波、載波檢測及發送信號波形整形等。低功耗的SD2015和CPU M3030RFC應用，使得產品功耗大為降低，為進一步開發無線變送器創造了有利條件。

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，其優勢有：運行速度快，最大運行頻率16MHz；24位單端差分；8KByte的FLASH存儲器；有8種放大倍數設置，最大可達128倍；多功能UART串行通信功能；兩個DMAC通道；CRC計算電路；監視定時器；主時鐘產生電路和子時鐘產生電路；87個I/O端口和10個外部中斷管腳。

采用M3030處理器構成的控制的系統，主要實現故障信號的分類與識別、等級設置、屏蔽，顯示驅動與中斷觸發；完成對變送器的非線性和溫度影響的補償校正時，進行自動運算功能；運行系統軟件，對測量數據進行計算、存儲和處理，還可以通過反饋回路進行自動增益比調節，以使采集數據達到最佳。

1.5 補償系統

為提高變送器的量程比，提高溫度性能、線性度及長期穩定性等指標，必須對傳感器性能進行補償校正[4]。高性能智能壓力變送器采用數字濾波，能夠有效抑制干擾，進行統計處理及去除異常數值等；應用最先進的神經元補償算法；在信號較小時，實現增益自動調節，提高了產品的量程比，也提高了小量程時的產品精度、穩定性和可靠性；增加異常中斷功能，識別傳感器、電路、設置及數據采樣等故障分析點，在產品出現相應故障時直接顯示故障現象。軟件編程采用C語言，系統主程序流程如圖2所示。

2 硬件電路

高性能智能壓力主送器的關鍵芯片是信號采集模塊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 信號采集模塊電路

圖4 HART通信模塊電路

圖5 CPU處理器

3 整機性能

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、先進的設計思路和優化的補償算法，提升了產品的性能、質量、可靠性和功能。其主要性能指標如下：

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 4～20mA疊加HART協議

過載極限 差壓42MPa 壓力105MPa

溫度范圍 環境溫度-40～85℃

溫度影響量 ±0.072%/28℃

長期漂移 不大于0.1%/5a

防爆 本安型Ex ia IIC T6

隔爆型Ex d IIC T6

防護等級 IP67

高性能智能壓力變送器除了常規的應用功能外，新增了獨具特色的新功能，具體如下：

a. 集成自診斷功能。通過HART通信啟動診斷功能，包括SENSOR、ROM、RAM、EEPROM和軟件運行狀況；工作計時器累計工作事件；超限監視器壓力值、傳感器溫度和電子部件溫度；維護定時器。

b. 操作靈活方便。常規智能壓力變送器在設定參數時，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，設計時增加了“本地組態”功能。可通過3個按鍵，在現場完成HART手操器的功能，如設定變送器的零點、量程、阻尼、輸出顯示、單位及零點校正等功能。此功能可在0區爆炸環境中使用。

c. 仿真。可以定時對過程及其自身進行監視，在超過定義數量的事件之后，發送相關的測量值，并同時進行響應，從一個簡單的“數值指示器”升級為“數值分析器”。可以通過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，模擬系統運行，仿真壓力值、傳感器溫度、電子部件溫度，輸出不同的調試電流，用于系統開車前的檢查、聯調和系統故障分析。

圖6 仿真診斷原理

4 結束語

高性能智能壓力變送器經過兩年多的構思、設計、測試、完善和工藝布局，進入產業化生產。在電力、冶金、建材、化工、煤化工及石油石化等生產裝置中投入運行，證實該變送器的可靠性和精度都比較高，操作靈活、方便、快捷，與同類變送器相比具有較高的性價比。