壓力變送器調試軟件的研究與應用

戚衛星

（上海市質量監督檢驗技術研究院，上海 201114）

壓力變送器可以測量流速、壓力、液位等工業測量對象，其采用的壓力傳感器種類各不相同，包括壓阻型、電容型和微諧振器型，所有這些傳感器類型都使用硅單晶的薄膜作為壓力接收元件。智能壓力變送器集成了多個傳感器，同時測量差壓值、靜壓值和溫度值。壓力變送器可以采用電池供電或環路電源DC24V 供電，變送器對外接口 包 括：4mA ～20mA、HART、RS-485/RS-422/RS-232、PROFIBUS、Modbus 和foundation 等[1]。

1 系統原理和典型架構

從產品設計的角度來看，工業壓力變送器系統設計需要同時兼顧產品硬件和調試軟件的功能，必須考慮諸多設計細節要求，包括精度、零漂移、溫度和靜態壓力補償[2,3]。

1）考慮溫度和靜態壓力信號對差壓值的特性補償。

2）可檢測出壓力傳感器老化或任何異常問題。

3）壓力變送器產品的最大量程可高達200:1，上限甚至可達15,000 psi。

圖1 集成信號調理的信號鏈Fig.1 Signal chain for integrated signal conditioning

4）測量精度最高可以達到滿量程范圍的0.04%，通常需要16 位至24 位的模數轉換器。

5）與不同現場總線的連接，例如HART、PROFIBUS、Modbus、foundation、RS-485/RS-422/RS-232、無線HART 等。

6）傳感器、調理電路、系統電源、通信和I/O 之間可能需要隔離；隔離等級從1 kV ～2.5 kV。

7）采用電池和環路供電的差分壓力變送器需要精心選擇的超低功耗元件，例如MCU、AMP、ADC 和基準電壓源。

工業現場溫度環境非常復雜，甚至異常惡劣。為了能夠在較寬的溫度范圍內工作，低溫漂移系數和低功耗對差分壓力變送器非常重要。ADI 公司提供完美的產品組合，包括精密放大器、精密基準電壓源、精密模數轉換器和低功耗Cortex-M3 內核微處理器等。除此之外，低功耗系統中的抗電磁干擾能力(如電涌、EFT 和ESD 等)也是壓力變送器面臨的嚴峻挑戰。ADI 器件的高ESD 抑制能力能夠大大改善產品的可靠性和穩定性[4]。

此外，壓力變送器內部的空間有限，要求高系統密度，因而必須減小器件尺寸。近來，集成技術的進步使得系統設計人員能夠采用尺寸更小、功耗更低、成本更低的解決方案，而其性能與那些大型系統不相上下。持續的技術進步要求既能不斷促進這些解決方案集成，同時還提高其性能和診斷能力。ADI 公司提供面向市場定制的解決方案，以便簡化設計過程。這些解決方案采用業界領先技術，并提供眾多設計選項——從采用分立器件的實施方案到全集成式解決實施方案。

2 上位機軟件

2.1 功能分析

圖2 主窗口界面Fig.2 Main window interface

圖3 數據采集界面Fig.3 Data acquisition interface

ADI 公司官網針對壓力變送器提供了“Smart Pressure Transmitter.exe”軟件，軟件的主菜單包括：文件、編輯、操作、工具、窗口和幫助幾個部分。當上位機軟件連接硬件變送器以后，可操作的界面有主窗口、數據采集、數據數組、計算各溫度下曲線系數、各系數曲線生成和曲線應用區域設定幾大部分。從功能來看主要是用來設置所連接壓力變送器的量程參數、壓力傳感器ADC 與壓力值的對應關系、傳感器溫度補償數據、輸出4mA ～20mA 的PWM 標定校準幾大部分，其中最為復雜的是壓力傳感器的溫度補償系數修正和針對差壓傳感器的靜壓補償系數修正兩部分[5]。

2.2 壓力標定

壓力變送器接通DC24 直流電源、串口線正確連接以后，打開“Smart Pressure Transmitter.exe”軟件，默認顯示主窗口選項卡。選擇對應的COM 串口號，默認的通訊設置為9600-8-n-1，為了方便軟件與下位機的串口數據流調試，分別設置了串口輸入緩存區（Edit）、字符串接收（Memo控件）和字符串發送區（Edit）文本框。軟件還可以遠程重啟目標板和讀寫壓力變送器的版本號。

圖4 計算各溫度下曲線系數界面Fig.4 Calculating the curve coefficient interface at each temperature

數據采集頁面可以設置調試模式，實時讀取標定壓力變送器的溫度值℃，壓力源標準值和對應壓力變送器實時的ADC 值。最多可以設置4 個標定溫度點和針對某個溫度點下的5 個壓力標定點，可以根據實際需求選擇需要標定的溫度點個數（1 ～4），標定時依次在特定溫度下施加標準壓力值點擊對應的Read 按鈕，待需要標定點填寫完全后點擊writeEE 按鈕將數組數據寫入下位機變送器硬件中，而當上位機軟件需要讀取壓力變送器中的標定數據時，只需要點擊ReadEE 按鈕。而數據數組界面中是將上述保存的16 進制HEX 數組轉換為10 進制的數組便于標定人員讀取判斷。

2.3 溫度補償

壓力變送器的標定操作方法已經比較成熟，目前壓力變送器所使用的傳感器主要有藍寶石壓力傳感器、擴散硅壓力傳感器、陶瓷壓力傳感器和數字壓力傳感器這幾大類。如果壓力變送器用在常溫環境中，設備的計量性能普遍可以滿足精度要求，但是一旦設備用在溫差較大的工況環境下，如北方低溫或新疆地區的高溫差環境，就會出現明顯的零點漂移，計量準確度下降甚至遠遠偏離預期壓力值。

為了解決上述難題，目前多采用線性插值法、雙線性插值法、最小二乘法來解決壓力傳感器的溫度補償難題，計算各溫度下曲線系數界面相當于把1 ～4 個溫度點下的5 個壓力標定ADC 值分別創建多組補償系數函數多項式關系，底層函數再將多組多項式的系數用最小二乘法進行二次擬合處理，得到針對這個壓力傳感器的特征公式。各系數曲線生成界面顯示的是各組壓力傳感器ADC 值與標定溫度值的對應關系，經過溫度補償處理后的壓力傳感器，其在任何溫度工況下（前提標的溫度范圍已覆蓋），壓力變送器的計量特效都滿足精度要求，其所呈現出來的輸出特性與室溫標的輸出特性并無明顯變化，甚至一致[6]。

2.4 輸出標定

圖5 各系數曲線生成界面Fig.5 Each coefficient curve generation interface

壓力變送器輸出兩線制的4mA ～20mA 電流，控制輸出的方式主要有PWM 輸出和DAC 輸出兩種方式，都需要進行輸出標定操作。由于PWM 和DAC 輸出一般都滿足16 位輸出精度且線性度較高，一般標定4mA 和20mA 兩點就可以滿足整個量程的輸出要求，寫入壓力變送器設備的參數包括PWM4、PWM20、DAC4 和DAC20。以PWM輸出為例，標定有兩種方法：一種是填寫PWM4 時標準表的電流值和PWM20 時標準表的電流值；另一種是回路中串聯標準電流表，手動調整PWM4 的數值直至標準表電流顯示4.000，手動調整PWM20 的數值直至標準表電流顯示20.000。這兩種方法相比較，第一種方法更適合上位機軟件標定，填寫標準表電流值比較方便，而第二種方法更適合現場儀表標定，因為現場儀表按鍵填寫難度較大，直接按鍵上下調整比較便捷[7]。

3 結論

應用ADI 公司的Smart Pressure Transmitter 上位機軟件實現了配套硬件設備的壓力標定、溫度補償和輸出校準，用多個溫度點下標定系列壓力值的方法實現了最小二乘法溫度補償。經測試標定軟件操作簡單，達到了壓力變送器設備出廠標定和溫度補償的預期效果，有效地提升了標定和測試效率。