4~20mA壓力變送器的介紹

摘要:針對生產(chǎn)過程參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)的需求,測量水網(wǎng)管線壓力的4~20mA壓力變送器。該變送器采用NSA2860芯片作為整個系統(tǒng)的核心,在線監(jiān)測水網(wǎng)管線壓力參數(shù),將監(jiān)測到的壓力轉(zhuǎn)化為4~20mA的電流信號送入附近的RTU中,RTU通過以太網(wǎng)將壓力參數(shù)傳輸?shù)绞刂剖疫M(jìn)行集中顯示，實(shí)現(xiàn)參數(shù)超限報(bào)警。著重介紹了壓力變送器供電、傳感器激勵、環(huán)境溫度采集、輸出V/I轉(zhuǎn)換、通信電路、機(jī)械結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)校準(zhǔn)補(bǔ)償和測試結(jié)果。該變送器具有使用簡單、可靠性好、采集壓力精度高等優(yōu)點(diǎn)。
0引言
　　在石化廠生產(chǎn)過程中,自動化監(jiān)控需要自動采集流量、振動、壓力、溫度等過程參數(shù)。為了實(shí)時監(jiān)測生產(chǎn)過程參數(shù)信息,及時發(fā)現(xiàn)潛在故障,建立一個石化水網(wǎng)管線過程參數(shù)實(shí)時在線監(jiān)測系統(tǒng)尤為必要,通過對水網(wǎng)管線中介質(zhì)的溫度、壓力、流量的在線監(jiān)測,將監(jiān)測到的參數(shù)送人附近的控制室進(jìn)行集中顯示，實(shí)現(xiàn)參數(shù)超限報(bào)警。目前,在石化等基礎(chǔ)性行業(yè)中,使用的壓力變送器嚴(yán)重依賴進(jìn)口,在產(chǎn)品營銷上存在國際貿(mào)易壁壘,同時存在售價(jià)昂貴,供貨周期長,急需國產(chǎn)化替代,來解決國外引進(jìn)產(chǎn)品的“卡脖子”問題。
1系統(tǒng)架構(gòu)
　　石化廠生產(chǎn)過程水網(wǎng)管線監(jiān)測系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。壓力變送器、溫度變送器、流量變送器、液位變送器分別采集水網(wǎng)管線的壓力溫度、流量和液位信息參數(shù),通過4~20mA電流信號將參數(shù)傳輸給RTU1,RTU將來自現(xiàn)場變送器的數(shù)據(jù)匯聚后通過工業(yè)以太網(wǎng)送人控制中心進(jìn)行監(jiān)控處理,在監(jiān)控中心里實(shí)時顯示監(jiān)測對象的參數(shù),發(fā)生超限時進(jìn)行報(bào)警。
 
2壓力變送器設(shè)計(jì)
2.1調(diào)理電路方案選擇
　　4~20mA壓力變送器主要由壓力傳感器、調(diào)理電路、輸出轉(zhuǎn)換電路組成,目前調(diào)理電路的典型架構(gòu)主要包括儀表放大器+變送放大器、ADC+MCU+DAC.集成式調(diào)理芯片三類。
　　儀表放大器+變送器放大器架構(gòu)通過可變電阻人工調(diào)整零點(diǎn)及靈敏度,溫度補(bǔ)償主要采用對芯體的補(bǔ)償,精度低。ADC+MCU+DAC架構(gòu)使用MCU,校準(zhǔn)算法靈活,精度高,但此類架構(gòu)對器件功耗要求高,成本相應(yīng)高,分立元器件體積大,同時存在軟件可靠性的問題。集成式調(diào)理芯片NSA2860架構(gòu)的調(diào)理電路是一款國產(chǎn)化的調(diào)理芯片,集成度高,僅需最少的外部器件，即可實(shí)現(xiàn)壓力變送模塊的校準(zhǔn)和變送,具有性能高、精度高等優(yōu)點(diǎn)。本壓力變送器主要實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化和精度高小型化,因此采用集成式調(diào)理芯片NSA2860的方案。
2.2硬件設(shè)計(jì)
2.2.1NSA2860簡介
 
　　NSA2860是一顆高集成度的用于阻式傳感器信號調(diào)理和變送輸出的專用芯片。圖2是NSA2860芯片框架圖。
　　NSA2860芯片主要由五部分組成。模擬前端模塊包含一個由儀表PCA和24位ADC構(gòu)成的主信號通道,一個內(nèi)置溫度傳感器和24位ADC構(gòu)成的輔助溫度測量通道，提供高精度的傳感器信號及溫度采集。內(nèi)置MCU及數(shù)字控制邏輯模塊包含了內(nèi)置MCU、寄存器表、EEPROM、控制邏輯及高精度內(nèi)部時鐘源等。芯片配置和傳感器校準(zhǔn)參數(shù)保存在57字節(jié)的EEPROM中。模擬輸出模塊由一個16位的DAC和一個可以靈活配置的具有多種電壓.4~20mA電流或者PWM模式的輸出驅(qū)動電路組成。電源及驅(qū)動模塊包含一個高精度參考電壓源,傳感器驅(qū)動恒壓源，雙路恒流源,JFET控制器。串行接口模塊包括SPI,rC,OWI,用于配置參數(shù),校準(zhǔn)系數(shù)以及測量數(shù)據(jù)的讀寫。
2.2.2電路原理圖
 
　　圖3為壓力變送器的電路原理圖,P1端為4~20mA的LOOP+,P3端為4~20mA的LOOP-。P2端子為壓力傳感器的接口。
　　采用NSA2860進(jìn)行電路設(shè)計(jì),需要考慮供電和防護(hù)模塊、傳感器激勵模式和溫度測量模塊、模擬輸出V/A轉(zhuǎn)換與通信電路的設(shè)計(jì)。
2.2.3供電和防護(hù)模塊設(shè)計(jì)
　　壓力變送器電源芯片U1選擇r1524,是超低功耗電源穩(wěn)壓器,輸出5V電壓,電源芯片輸出的電壓VCC接人NSA2860的AVDD管腳，作為NSA2860內(nèi)部電路的供電電源。電路原理圖中D1是防反接二極管,D2是雙向瞬態(tài)電壓抑制器TVS,電流環(huán)路上的兩個磁珠B1和B2對耦合到環(huán)路中的高頻信號起到一定的抑制作用。
2.2.4傳感器激勵模式和溫度測量模塊
　　采用SOI壓力傳感器,S0I壓力傳感器是一種新型的、先進(jìn)的物性型壓力傳感器。壓力傳感器具有高溫壓力傳感器性能指標(biāo)穩(wěn)定性好、寬溫區(qū)的性能分散性低,環(huán)境適應(yīng)性好、壽命長和可靠性高等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。壓力傳感器輸出采用惠斯通電橋結(jié)構(gòu),它由四個壓阻連接成電橋,電阻隨外界的壓力的變化而變化,在理想的情況下，外界壓力為零，四個電阻大小相等,壓力傳感器輸出電壓為零。當(dāng)外界施加壓力,輸出電壓與電阻變化量成線性關(guān)系
 
　　圖4是壓力傳感器激勵和溫度測量電路。壓力傳感器既可以電壓源供電,也可以電流源供電,本設(shè)計(jì)壓力傳感器采用電流源供電,NSA2860有兩路恒流源輸出,為了降低恒流源的溫度系數(shù),提高壓力變送器的精度,采用外部電阻模式恒流源，恒流源IEXC1為電流輸出管腳,IEXC2管腳接R5低溫漂電阻。恒流源輸出接傳感器的I+端,傳感器的1-端接地，傳感器的0+端接NSA2860的VIP管腳,傳感器的0-端接NSA2860的VIN管腳。
　　NSA2860內(nèi)部包含一個溫度傳感器,如果采用內(nèi)部的溫度傳感器,存在NSA2860與壓力傳感器溫度差異,以及溫度變化不一致問題。為了在環(huán)境溫度變化的情況下提高壓力變送器的測量精度,采用外部溫度傳感器的模式，就是利用壓力傳感器電橋本身作為溫度傳感器,直接反應(yīng)了傳感器的溫度變化,將壓力傳感器電橋的1+端接入NSA2860的TEMP管腳,作為外部溫度輸人。
2.2.5輸出V/I轉(zhuǎn)換和通信電路
　　二線制變送器的核心設(shè)計(jì)思想是將所有的電流都包括在V/I電壓轉(zhuǎn)換電流的反饋環(huán)路內(nèi),如圖3電路原理圖所示，OUT引腳輸出電壓信號,經(jīng)過外圍電壓轉(zhuǎn)換電流電路,調(diào)節(jié)環(huán)路電流。反饋電阻R4串聯(lián)在電路的低端,所有的電流都將通過反饋電阻R4流回到電源負(fù)極,包含了所有電路的耗電,圖中的R4是50I精度高低漂移電阻。這個電阻直接影響4~20mA電路輸出的特性。
　　壓力變送器通過4~20mA的環(huán)路就能通信,完成校準(zhǔn)和測試任務(wù),4~20mA的通信控制通過調(diào)制電源信號來實(shí)現(xiàn),電路原理圖中的R1電阻為5kQ,C5電容為22nF,C5耦合電容把電源上的調(diào)制信號耦合到芯片的OWI引腳上。OWI信號返回是通過控制OUT引腳電壓,調(diào)制電流,輸出數(shù)字信號。
2.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　壓力變送器整機(jī)由壓力傳感器,變送器電路板,變送器外殼,變送器電連接器組成。
　　壓力傳感器焊接在壓力接口內(nèi),變送器電路板焊接在壓力傳感器的引出線上,同時通過螺釘固定在壓力接口的固定柱上，變送器外殼通過焊接安裝在壓力接口上，,變送器電連接器通過螺釘安裝在外殼頂部。整機(jī)結(jié)構(gòu)提升抗振動沖擊性能，滿足小尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等高可靠要求。
3壓力變送器的校準(zhǔn)補(bǔ)償
 
　　圖5是壓力變送器校準(zhǔn)補(bǔ)償系統(tǒng)框圖。壓力變送器校準(zhǔn)補(bǔ)償系統(tǒng)由壓力變送器,校準(zhǔn)測試通信轉(zhuǎn)換板,供電穩(wěn)壓源和裝有校準(zhǔn)補(bǔ)償測試軟件的上位機(jī)組成。校準(zhǔn)測試通信轉(zhuǎn)換板能將OWI協(xié)議與485通信協(xié)議進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。
　　校準(zhǔn)補(bǔ)償軟件主要包括芯片的參數(shù)配置、初始化原始壓力數(shù)據(jù)的采集、校準(zhǔn)系數(shù)計(jì)算寫人、EEP-ROM的鎖定與測試驗(yàn)證,正確的芯片寄存器參數(shù)配置是保證產(chǎn)品合格的關(guān)鍵步驟。圖6是校準(zhǔn)補(bǔ)償軟件芯片寄存器配置界面。傳感器激勵電流IEXC1輸出700uA,PGA放大倍數(shù)GAIN__P選擇16倍,溫度傳感器EXT_TEMP選擇external,放大倍數(shù)GAIN_T為1倍。
 
　　目前常用的溫度補(bǔ)償方法主要有兩大類:硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償。硬件補(bǔ)償方法存在調(diào)試?yán)щy、精度低、通用互換性差等缺點(diǎn)。軟件補(bǔ)償方法是利用微處理器采集壓力信號、溫度信號,采用數(shù)字信號處理技術(shù)對溫度漂移產(chǎn)生的誤差進(jìn)行補(bǔ)償,得到精度高的壓力信號。
　　采用軟件算法溫度補(bǔ)償,NSA2860支持對傳感器的零點(diǎn),靈敏度的高二階溫度漂移校準(zhǔn).以及高三階的非線性校準(zhǔn),校準(zhǔn)精度理論上可以達(dá)到0.1%以內(nèi)。校準(zhǔn)算法為擬合校準(zhǔn),取3個溫度點(diǎn)-20℃、25℃和80℃,在每個溫度點(diǎn)采集3個壓力值。計(jì)算出校準(zhǔn)系數(shù)并存儲在EEPROM中。
4壓力變送器的測試
　 壓力變送器工作溫度范圍為-20℃~80℃,分別在-20℃,0℃,20℃,40℃,60℃,80℃溫度點(diǎn)測試,在每個溫度點(diǎn)上,分別給定6個壓力點(diǎn)(0.1MPa,1MPa,2MPa,3MPa,4MPa,5MPa),每個壓力點(diǎn)上分別記錄輸出的電流值,這是正行程,接著進(jìn)行反行程測試。正行程、反行程循環(huán)測試3次。用端距法計(jì)算出壓力變送器精度為0.14%，優(yōu)于精度0.2%。
5結(jié)束語
　　石化廠水網(wǎng)管線過程參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)中的壓力變送器,壓力變送器所有元器件都采用了國產(chǎn)化元器件,自主可控,真正意義上實(shí)現(xiàn)了高精度壓力變送器國產(chǎn)化替代。壓力變送器輸出的4~20mA電流信號經(jīng)過RTU匯聚后通過工業(yè)以太網(wǎng)上傳到控制室進(jìn)行壓力參數(shù)的集中顯示,實(shí)現(xiàn)參數(shù)超越報(bào)警。整個系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)石化廠水網(wǎng)管線過程參數(shù)的實(shí)時在線監(jiān)測,具有一定的實(shí)用和推廣價(jià)值。